卧式内燃热水锅炉管口和管板裂纹的原因与预防措施

潘昌亮

（贵州省特种设备检验检测院，贵州 贵阳 550000）

卧式内燃热水锅炉在采暖领域广泛应用，在实际运行过程中，多次出现回燃室前管板管口开裂和管板裂纹现象，现以某两个单位的WNS型卧式内燃燃气热水锅炉进行分析。

1 锅炉管口和管板裂纹概况

1.1 案例情况

（1）某单位5台热水锅炉（型号：WNS7-1.0/130/70-Y（Q））为回燃式热水锅炉，于2010年3月制造，2011年1月投入运行。锅炉额定参数为压力1.0MPa，温度130℃，额定出力7MW，燃料种类为天燃气。水处理形式为锅外水处理。2014年10月01#锅炉回燃室前管板下部挖补、同年04#锅炉回燃室前管板下部挖补和05#锅炉更换部分烟管；2017年12月04#锅炉更换部分烟管、同年03#锅炉更换部分烟管；2018年01月01#锅炉更换部分烟管；2019年11月03#锅炉更换部分烟管、同年04#锅炉更换部分烟管、01#锅炉更换部分烟管及回燃室前管板左侧1处裂纹、02#锅炉更换部分烟管、05#锅炉更换部分烟管[2]。

（2）某单位2台热水锅炉（型号：WNS1.4-1.25-60/50-QT）为回燃式热水锅炉，于2012年11月制造，2013年1月投入运行。锅炉额定参数为压力1.25MPa，温度60℃，额定出力1.4MW，燃料种类为天燃气。水处理形式为锅外水处理。2016年3月发现01#和02#锅炉回燃室前管板与烟管连接部位水侧水垢厚1～3㎜，并堆积大量软垢，回燃室前管板与烟管管座烟气侧作整体渗透检测，发现烟管与管板连接部位有多处裂纹缺陷。

1.2 渗透检测

（1）于2017年2月对04#锅炉（型号：WNS7-1.0/130/70-Y（Q））回燃室前管板烟管角焊缝进行渗透检测，经检测普遍存在径向裂纹，大部分裂纹已经扩展至焊接接头根部，且部分存在管桥裂纹，共存在32处，裂纹最长40mm，且有明显的泄漏痕迹，具体存在裂纹的有：1-3、1-4、2-2、3-3、3-4、4-4～6、5-1、5-3～4、6-1～2、6-6～8、7-1、7-6～8、8-1、8-7～8、9-2、9-12～14、10-1、10-15、10-16、11-14，注：位置标注为面对回燃室前管板，1-1表示左往右第1排第一根烟管角焊缝，以此类推，共计125根烟管角焊缝PT检测（见图1）。

图1 锅筒回燃室前管板烟管角焊缝渗透检测和现场

（2）于2016年3月对01#和02#锅炉（型号：WNS1.4-1.25-60/50-QT）回燃室前管板烟管角焊缝进行渗透检测，经检测普遍存在径向裂纹，大部分裂纹已经扩展至焊接接头根部，且部分存在管桥裂纹，共存在19处，裂纹最长30mm，且有明显的泄漏痕迹，经检测01#锅炉存在：1#缺陷为烟管从外向内数第二圈右侧从下向上第5个管座，2#缺陷为烟管从外向内数第二圈右侧从下向上第6个管座，3#缺陷为烟管从外向内数第二圈右侧从下向上第7个管座，4#缺陷为烟管从外向内数第三圈右侧从下向上第3个管座，5#缺陷为烟管从外向内数第二圈右侧从下向上第11个管座；02#锅炉存在：1#缺陷为烟管从外向内数第一圈右侧从下向上第19个管座，2#～7#缺陷为烟管从外向内数第二圈右侧从下向上第10～15个管座，8#～12#缺陷为烟管从外向内数第三圈右侧从下向上第6～10个管座，13#～14#缺陷为烟管从外向内数第四圈右侧从下向上第3～4个管座。

2 裂纹产生的原因分析

2.1 烟管与管板间存有间隙

按卧式内燃锅炉的制造技术，烟管外壁与管孔内壁间通常存在0.5～0.85mm的间隙，锅炉制造时焊接前应先进行胀接，而部分锅炉制造厂未进行预胀，管孔与烟管间存在较大间隙。运行时，锅水渗入间隙形成环形水膜，锅水受热达到饱和温度形成气泡，间隙内水循环较差，气泡逐渐变大形成气膜，气膜被加热到一定程度后喷出间隙，锅水随之又填满间隙，使管端及管孔壁受到急剧冷却，致使管孔壁与管端传热恶化，在反复不断的热交变应力作用下，烟管管端靠近焊缝处产生热疲劳裂纹，上述裂纹锅炉通常都有厚度1～3mm以上的结垢现象，结垢后进一步恶化了回燃室前管板和烟管管端的冷却条件[3]，如果锅炉水循环不好，管板处的热量不能及时被水带走，管板就容易产生高温疲劳裂纹。

2.2 烟管管端伸出焊缝长度过大

根据《锅壳锅炉受压元件强度计算》（GB/T 16508—1996）及有关锅炉制造技术标准的要求，当用于烟温大于600℃的部位时，管端超出焊缝的长度不应大于1.5mm，而实际生产制造过程中，烟管管端超出焊缝长度大部分在2～5mm，高温烟气从炉膛进入回燃室，使管板成为高温区，由于“人口效应”的影响，烟管端部和管孔周围的管板接受的热量是辐射和对流两部分热量的叠加，这就使烟管端部和管孔处管板成为高热负荷区。一般进口烟温可高达1200℃左右，而20#钢的相变温度临界点为855℃，必须靠有效的冷却使锅炉烟管、管板的工作温度不超过286℃[4]。由于烟管管端离锅水最远，烟管管端超出焊缝长度过长，造成管端无法得到有效冷却，金属璧温升高，抗拉强度和屈服强度急剧降低，致使管端长期处于过热状态，金属内部组织发生变化，从而产生热应力裂纹[5]。

2.3 锅炉回水未处理

水质管理不当或排污不及时会导致锅水水质超标。上述案例锅炉均为供暖系统设备，回水均未经过任何处理措施直接进入锅炉，在使用过程中极易将管网、散热器内部形成的锈蚀产物带入锅炉，并在锅炉内沉淀积累，在内部检验时发现锅炉大量结垢，特别是回燃室前管板处结垢明显，局部厚达5～10mm，这些水垢才是管板裂纹的真正罪魁祸首。回燃室前管板内侧结垢严重，引起传热恶化，管板温度进一步上升，使管板与烟管承受了很大的温差应力，水垢的导热系数较钢板低数十倍，使高温烟气冲刷管板不能迅速将热量传递给锅水，该部位金属温度升高，金属抗拉强度下降。在正常压力下，该部位金属经受接近于它的屈服点的拉伸力产生裂纹。

3 预防措施

（1）强化水质管理。加强水循环，严格控制水质，合理配置水处理药剂，使水质符合《工业锅炉水质》（GB/T 1576—2018）标准的要求，有效降低水垢的形成。及时监控水垢情况，一旦发现结垢严重，及时彻底清除水垢，提高锅炉效率。

（2）改善制造工艺。管板烟管孔内壁侧开坡口，将烟管与管板进行贴胀，消除烟管与管板的间隙，使烟管管端伸出管板量尽量短，并使管端与角焊缝平齐，最大限度减少烟管管端的伸出量。

（3）调整锅炉的火焰燃烧长度。在保证锅炉出力条件下，火焰应尽可能短。可采用预混合或半预混合式燃烧来缩小火焰长度，增大炉胆热强度，这样可使回燃室的温度相对较低，降低烟管管端温度。