关于鳍片超温撕裂受热面管的典型案例分析

赵勇

摘要：本文主要分析了某锅炉厂制造的一台蒸汽发生器在使用过程中发生了水冷壁管被鳍片撕裂渗漏现象，对这一典型案例进行分析说明，以供参考。

关键词：蒸汽发生器;鳍片撕裂;受热面管;案例分析

1前言

近年来，随着国家对锅炉产品的安全、能效、环保要求的不断提高，使得对锅炉制造单位和使用单位的要求也越来越高。在市场需求的催生下，使得小型蒸汽发生器得到了广泛的应用。但因其产品定位在D级锅炉或正常水容量小于30L的特种设备范畴之外，致使在生产使用过程中缺少相关部门的有效监督，使产品质量良莠不齐，存在着一定的安全隐患。

最近，某锅炉厂制造的一台蒸汽发生器，在使用过程中就发生了水冷壁管被鳍片撕裂渗漏现象，如下面图片一至图片四所示。因其损伤案例比较典型，特作如下分析说明。

2制造单位采用此种炉型的目的和优点

该设备为正常工作水容量小于30L且额定蒸发量为0.2t/h的燃天然气蒸汽发生器，不属于特种设备目录范畴，不需要也未经过制造监督检验。由图片可以看出，此蒸发器主要结构由下环型集箱，四周水冷壁管及上部节能器组成。锅炉燃烧室采用了类似于膜式水冷壁的结构，只是把管子间的鳍片换成了45°轴向布置的角钢，水冷壁规格为φ51×3.0mm，节距为90mm，角钢规格为40×40×3mm，在燃烧器接口区域的鳍片宽度为210mm，厚度为3mm。燃烧室用水冷壁管代替炉胆，目的是减少锅炉的水容量，而采用类似膜式壁结构，可有效减少燃烧室（炉膛）的散热损失，提高燃烧效率，不仅保证锅炉的额定出力，且对锅炉外包还能起到一定的保护作用。

3此炉型存在的问题和可能导致的损坏

首先，制造单位为了防止燃烧机的火焰直接冲刷受热面管，造成受热面管过早结垢损坏，用耐火泥将燃烧器接口对面的受热面管进行了覆盖，但这样就进一步减少了燃烧室的受熱面，加大了燃烧室（炉膛）的热负荷，会造成燃烧室（炉膛）的温度过高。

其次，已有成熟的研究表明：鳍片中心表面温度与鳍片宽度的平方成正比，与鳍片厚度成反比。即在鳍片厚度不变的情况下，鳍片越宽，其中心表面温度就越高，鳍片区域的温差应力也越大，由热疲劳导致的开裂情况就越严重，而单纯由鳍片过宽引起的开裂多是在鳍片中心部位发生的变形开裂。而该炉型燃烧器接口处的鳍片（或者称之为扁钢）宽度达210mm，仅考虑了燃烧室的密封作用，忽视了扁钢的有效冷却问题，而特种设备安全技术规范中明确要求：膜式壁等结构中与管子焊接的扁钢，其膨胀系数应当和管子相近，扁钢宽度的确定应当保证在锅炉运行中不超过其金属材料许用温度，焊缝结构应当保证扁钢有效冷却。根据文中图片四的显示可以清楚地看到，该锅炉燃烧器接口处的扁钢已明显过烧变形，并在扁钢中心部位产生了横向断裂，这就是没充分考虑上述安全技术规范要求所带来的直接后果。

另外，因鳍片与管子在正常工况下的换热状况不同，造成管子与鳍片的热膨胀量不可能完全一致，所以在他们之间会产生应力。而鳍片与管子的焊缝组织特点导致其疲劳强度比母材要低得多，所以在鳍片宽度设计合理的情况下，水冷壁鳍片的疲劳损伤首先在焊缝处发生是有理论基础支撑的。而针对该台锅炉，鳍片（扁钢）与水冷壁管的焊接采用的是手工二氧化碳气体保护焊，因其不属于特种设备，所以焊接工艺和工艺纪律的执行也缺少有力的监督，钢管与扁钢的焊缝熔深、未熔管壁厚度等关键要素也得不到有效控制。而该蒸发器的水冷壁管壁厚只有3mm，上述要素的控制就更为重要。所以在焊接质量等综合因素影响下，主要是扁钢尺寸过宽无法得到有效的冷却，在扁钢自身的温差内应力和水冷壁管与扁钢膨胀量不同所带来的疲劳应力的共同作用下，最终导致扁钢与水冷壁的连接焊缝处撕裂并贯穿母材造成渗漏（见图片二）。

由上述分析可见，解决该炉型燃烧器接口处鳍片（扁钢）开裂及其与水冷壁连接焊缝处撕裂的简单有效方法是：在扁钢密封板上焊接适当数量的抓钉，并涂敷耐火泥进行绝热处理。但此炉型的炉膛热负荷及锅炉热效率等问题需制造单位另行考虑。

4结束语

总之，最后需要说明的是，锅炉膜式管屏的应用已有多年，尤其在大型锅炉机组上的应用更为广泛，其很多优点都已得到业界的普遍认同，且生产加工工艺也相对成熟，普遍采用自动化生产线设备进行焊接弯制等，质量稳定有保证。近几年，不少蒸发器生产厂家把此技术应用到蒸汽发生器的设计制造上，由于受工装设备的限制且大量采用手工焊，无论是冷作加工质量还是焊接装配质量都无法达到相关锅炉专业标准的要求。

（作者单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院镇江分院）