燃气锅壳锅炉管板和烟管开裂原因分析及对策

李君喜

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院济源分院 济源 459000）

1 事故概况

2017年11月，某饮料生产企业一台WNS8-1．25-Q锅炉准备启动时，锅炉发生严重泄漏事故，泄漏到炉膛的锅水经底排烟管流至前烟室向炉外流出，使用单位申请对锅炉进行检验。

2 锅炉情况调查

2.1 锅炉概况

该锅炉结构形式为锅壳式全湿背顺流三回程烟火管结构，管板材质Q245R，烟管材质20，烟管与管板角焊缝连接；水处理方式为锅外水处理（Na+离子交换）加锅内加药；该锅炉于2017年1月投用，配置煤气燃烧器，投用初期燃用焦炉煤气；当年7月中旬，燃烧器经过改造后，改燃天然气。

2.2 锅炉检验情况

检查锅炉回燃室，发现回燃室前管板、烟管及其连接焊缝有24处开裂并泄露；其中14处为烟管管端热裂纹扩展至烟管与管板的连接角焊缝，引起连接焊缝开裂，10处为管端热裂纹扩展至连接焊缝及管板，导致其一并开裂。检查烟管与回燃室前管板的连接，发现锅炉在制造中，有部分烟管漏胀或贴胀不到位，导致烟管与管孔壁存在间隙，最大间隙1mm左右；检查所有烟管伸出其与管板连接焊缝的长度，均为5mm—9mm；检查锅炉的水垢厚度，为0．7mm—1mm；检验中还发现回燃室后管板上，位于锅炉尾部检查孔正上方产生局部过热变形，变形面积约220mm×200mm，最大变形量约5mm；尾部检查孔耐火混凝土及其包裹钢圈被冲刷掉300mm；燃烧器被改造；锅炉水处理设备出现故障不能正常投用，锅炉出口（节能器前）烟气测温装置损坏。

2.3 燃烧器改造情况调查

经调查落实，燃烧器改造调试单位未取得燃烧器制造商的授权，未履行改造施工告知程序，无改造设计及改造记录。

2.4 锅炉水质管理调查

查阅锅炉水质检测记录、水处理设备运行记录和水质检验报告，并经调查了解得知，7月初水质检测人员离岗后，锅炉使用单位未开展锅炉水质检测，锅炉水处理系统因故障于7月中旬停用，锅炉使用单位疏于锅炉水质管理，锅炉结垢严重。

2.5 锅炉运行状况调查

通过了解锅炉操作人员观察的炉膛火焰分布状况，分析尾部检查孔被严重冲刷的原因，可以认定，燃烧器改造后，炉膛火焰发生了后移。通过了解锅炉操作人员、查阅锅炉设计、安装资料及锅炉运行记录，并调取控制系统中设定的锅炉运行参数得知，燃烧器改造前锅炉出口烟温为265℃左右，超温报警设定值为290℃，燃烧器改造后锅炉出口烟温升至295℃左右（8月初温测量装置损坏后无烟温记录），为避免连续超温报警，燃烧器调试人员将超温报警值调整为300℃，锅炉处于超温运行状态。根据锅炉运行记录，在燃烧器改造前后各一周的时间内，供汽参数没有发生明显变化，锅炉水垢在短时间内也不会有明显增加，而锅炉出口烟温升高了30℃左右，分析导致锅炉出口烟温明显升高的原因，一是燃烧器改造调试不当，燃烧负荷偏大，导致出口烟温明显升高，二是炉膛火焰后移会也使出口烟温有所增加。

3 事故原因分析

3.1 锅炉水垢的影响

锅炉水垢导热系数较小，不利于传热；如常见的混合型水垢，其导热系数只有碳素钢的几十分之一；水垢越厚，产生的热阻越大，对传热影响也越大。相关实验数据表明[1]，锅炉工作压力在1．4MPa，火侧温度在900℃—1200℃时，没有结垢并能得到良好冷却的锅炉金属温度，只有215℃—250℃；当锅炉产生0．8mm—1mm厚混合型水垢时，锅炉金属温度便提高134℃—160℃；金属温度升高到一定值，金属的一些物理指标和性能就会显著下降；以Q245R材料为例（16mm＜厚度≤36mm），金属温度在200℃时，其许用应力=124MPa，温度上升到400℃，其许用应力[σ]=86MPa，许用应力值下降31%。该锅炉产生0．7mm—1mm厚的水垢，已严重影响到锅炉的正常传热，甚至会引起传热状况恶化，使回燃室金属温度明显升高、金属强度下降，势必导致烟管管端产生热裂纹及受热面过热。

3.2 烟管伸出管板长度的影响

根据水火管工业锅炉烟管管端开裂有限元分析[2]，在烟管的传热过程中，如果烟管伸出管板过长，伸出段的降温梯度很小，烟管伸出段在传热过程中得不到及时冷却，管端温度会显著升高，从而使得产生的热应力明显增大；当烟管伸出段长度达到一定值时，管端产生的热应力大于金属材料的强度，便产生热裂纹，裂纹会并向连接焊缝及管板上扩展，引起连接焊缝及管板开裂。所以，《锅壳锅炉（第4部分：制造、检验与验收）》[3]4．4．9．4a)规定，对于与600℃以上的烟气接触的管板，焊接连接的烟管，管子超出其与管板连接焊缝的长度应≤1．5mm。该锅炉烟管伸出管板较长，所以便有为数不少的烟管产生管端开裂。

3.3 烟管与管孔壁间隙的影响

如果回燃室前管板与烟管之间存在间隙，间隙中很容易产生蒸汽阻滞[4]效应，间隙中的锅水通过传热很快被汽化，形成蒸汽膜附着在间隙周围金属表面，阻碍锅水对间隙周围金属的冷却，导致间隙周围的金属温度明显升高，金属强度下降，从而加剧了烟管管端热裂纹向间隙周围的连接焊缝及管板上扩展延伸，致使其开裂。因此，《锅壳锅炉（第4部分：制造、检验与验收）》[5]4．4．9．4规定，对于与600℃以上的烟气接触的管板，焊接连接的烟管应采取措施消除烟管与管孔壁的间隙。

3.4 燃烧负荷偏大的影响

如果燃烧器改造调试不当造成燃烧负荷偏大，且超过锅炉设计阈值上限时，由于锅炉受热面不能及时传导增加的热负荷，会导致锅炉出口烟温升高；锅壳锅炉结构决定了回燃室烟温升高的幅度会远大于出口烟温的升幅；所以，燃烧负荷偏大容易导致回燃室烟管管端开裂及回燃室受热面过热。

3.5 炉膛火焰后移的影响

燃烧器改造调试不当造成火焰后移，则会直接造成回燃室温度升高，促进回燃室受热面过热和管端开裂；火焰后移还有可能造成火焰与管板直接接触，使与火焰直接接触的管板局部热负荷显著增大，加剧管板产生局部过热。

综上分析，锅炉严重结垢引起锅炉传热状况恶化，是导致事故发生的直接原因；锅炉在制造中未能严格执行《锅壳锅炉（第4部分：制造、检验与验收）》4．4．9．4标准要求，造成烟管伸出段过长、烟管与管孔壁存在间隙是导致事故发生的间接原因；燃烧器改造调试单位违反《质检总局办公室厅关于燃气锅炉风险警示的通告》中关于燃烧器改造、调试应有燃烧器制造商的授权的规定，未经授权而实施燃烧器的改造、调试，且改造调试不当致使燃烧负荷偏大，燃烧火焰后移，造成锅炉超温运行，是导致事故发生的又一间接原因；锅炉使用单位违犯《中华人民共和国特种设备安全法》第十三条中“特种设备使用单位应按照国家有关规定配备检测人员”、第四十四条中“锅炉使用单位应按照安全技术规范的要求进行锅炉水（介）质处理”等规定，未配备锅炉水质检测人员，水处理设备长期不能投用，对锅炉运行疏于管理，是导致事故发生的根本原因。

4 预防措施

1）加强锅炉水质运行管理，配备锅炉水质检测人员及仪器设备，保障水处理设备的正常运行，保证锅炉水质符合工业锅炉水质标准的要求，尽可能减缓或避免锅炉产生水垢。

2）重视锅炉制造环节的质量控制，保证烟管不漏胀且贴胀到位；保证烟管伸出段长度符合标准的要求。

3）燃烧器的改造调试要由燃烧器制造商授权的单位实施，对燃烧负荷的调整要保证锅炉不超温运行；对火焰的调整，既要满足火焰一定的充满度，还要满足火焰距炉胆壁不少于50mm、距炉胆出口不少于300mm的距离。

4）注重在锅炉检验中发现隐患，对伸出段过长的烟管，要进行切割或打磨消除。

5 结束语

随着环保力度的加大和能源政策的调整，我国大部分地区，燃气工业锅炉基本取代了传统的燃煤锅炉。燃气工业锅炉自动化程度高，环保、节能效果好，但其运行的风险因素远高于燃煤锅炉。就该案例的事故原因分析来看，导致锅炉事故发生有诸多原因，但无一不存在人为的因素；要减少或避免锅炉发生事故，就应从锅炉设计制造到使用管理的全环节入手，严格执行相关法律、法规及标准规范，探索科学、有效的管理模式，最大限度地保障锅炉的安全经济运行。