WNS型燃气锅炉高温区烟管管端裂纹成因及预防措施

张永宁

摘要：wNs型燃气锅炉高温区烟管管端开裂是该类型锅炉一种典型的失效形式，文章从实际检验案例分析了wNs型燃气锅炉高温区烟管管端裂纹的成因，从结构设计、制造工艺、使用管理等方面总结了预防wNs 型燃气锅炉高温区烟管管端开裂的措施。

关键词：wNs 型燃气锅炉：高温区：烟管：裂纹：成因：预防措施

近年来，随着国家大气污染防治的持续推进，对锅炉排放的环保要求也越来越高，燃煤锅炉已经退出历史舞台，wNs 型燃气锅炉得到广泛应用， 为城市带来了清洁和便利。但是，由于结构设计、制造工艺以及使用管理 等方面的原因，该类型锅炉在使用过程中会发生各种各样的失效形式，其中高温区烟管管端开裂现象频发，严重影响锅炉的安全运行。本文就 wNs 型燃气锅炉高温区烟管管端裂纹成因及预防措施进行探讨。

1.WNS 型燃气锅炉简介

wNs 型燃气锅炉多为卧式内燃三回程湿背式火管锅炉，燃气由燃烧器送人波形炉胆进行扩散燃烧，燃烧所产生的高温烟气在炉胆和回燃室进行对流和辐射换热后，进人第二回程高温区烟管继续换热，再经过前烟箱折转 180o进人第三回程烟管进行充分的对流换热 [1]，最后经后烟箱及烟囱排人大气。该类型锅炉采用全对接焊缝湿背式结构，炉胆末端和二回程的起端与浸在炉水中的回燃室相连，回燃室也可以进行热交换，高效利用受热面，并且不存在耐火材料的更换问题，且锅炉后管板也不受烟气的直接冲刷。炉胆采用波形炉胆，吸热强，热伸缩性能良好，锅炉前后均有观火孔可观察燃烧情况，同时配置低水位连锁保护装置、点火程序控制和熄火保护功能，确保锅炉安全可靠运行。

2.检验案例情况

对徐州某桩业公司一台 10t 燃气锅炉进行内部检验，该锅炉型号wNsL10-1.6-YO（L），2018 年 05 月投人使用，额定出口压力 1.6MPa，额定出口温度 204℃，检验时发现锅筒内结垢严重，覆盖率达 90% 以上，最大厚度约 5mm，进人回燃室发现后管板有渗漏痕迹，在渗漏部位经磁粉检测发现 12 根烟管管端开裂，现场测量烟管管端超出角焊缝的长度在 1.5mm 以内，且角焊缝成型质量较好，表面未见气孔、夹渣、咬边等缺陷。

3.裂纹成因的分析

3.1锅炉结构原因：此类型锅炉在结构设计上该区域承受高温烟气的冲刷，炉膛出口烟气温度约 900o C—1100℃左右，高温烟气从炉膛进人回燃室，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，使该区域成为高热负荷区，是 单纯稳定流状态下热负荷的 3 倍以上，并且 20# 钢的相变临界点温度为855℃ [2]，因此必须采取有效的冷却措施降低材料的工作温度。同时，烟管和管板在制造时采用单面焊结构，角焊缝、管孔布置密集等结构不连续容易产生应力集中，是裂纹产生的重要影响因素。

3.2锅炉制造质量原因：现有制造技术背景下，烟管外壁和管孔壁不 可避免存在一定间隙，锅炉运行时，炉水渗人间隙形成环形水膜，造成此处局部热负荷过高，炉水受热汽化形成气膜，导致管孔壁与管端传热不均 匀，造成管端局部过热。间隙处炉水汽化后喷出，温度相对低的炉水随即 又填满间隙，使管壁和管孔壁急剧冷却，如此反复在交变热应力作用下， 烟管管端易产生热疲劳裂纹。此外，因炉水呈碱性，间隙内的炉水高浓度浓缩，出现高浓度的 Na0H 溶液，加上交变的温差应力，已具备了发生苛性脆化的条件 [3]。

3.3使用管理不当原因：该锅炉间断运行，启停频繁，由于燃气锅炉热容积小，炉水降温较快，锅炉启停频繁时，回燃室温度由运行时的1000℃左右迅速降到停炉时的 200℃左右，高达 800℃的温差，受热面反复经受加热和冷却的交变热负荷作用，易使管孔角焊缝应力集中部位出现 热疲劳，产生热疲劳裂纹。检验时发现锅筒内结垢严重，覆盖率达 90% 以上，最大厚度约 5mm，水质化验分析结果锅炉给水硬度 0.68mmol/L，远远超出标准规定值≤ 0.03mmol/L，导致锅炉结垢严重。水垢的导热系数远比金属低，水垢的存在导致管板与烟管热量传导不均匀，材料过热，冲击韧性下降，同时产生较大的温差应力，在应力集中部位产生热疲劳裂纹。另外，炉水从水垢的缝隙处渗人，在水垢与受热面之间急剧蒸发，在水垢层下， 炉水被浓缩到很高的浓度，极易产生垢下腐蚀。

4.预防措施

基于上述引起烟管管端开裂原因的分析，为有效防止高温区烟管管端开裂，可采取以下措施：

4.1從锅炉设计角度考虑，为避免烟管管端过热，降低回燃室管板热负荷，在管板烟气侧加装耐火隔热层 [2]，以阻断高温烟气的直接冲刷，减少"人口效应"的影响;烟管管端可以设计加装耐热短管，防止其因过热疲劳开裂。

4.2从锅炉制造角度考虑，烟管与管板的连接方式采用全焊透结构， 以消除采用胀接方式存在的间隙问题，可借鉴德国菲斯曼公司的设计，采用"背水环"结构型式 [2]，双面开 U 型坡口，钝边为 1.5mm，内侧不焊，外侧焊接，焊后进行消除应力热处理，该结构降低了焊接残余应力，完全消除了间隙，焊缝强度有保证。另外，在制造时严格控制烟管管端伸出长度，防止烟管管端得不到充分冷却而出现过热现象。

4.3从使用管理角度考虑，做好水质化验，严格控制水质硬度，及时监测受热面水垢情况，一旦发现结垢，应立即采取机械除垢、化学清洗等措施清除水垢 [4];采用合理的锅炉运行方式，杜绝锅炉频繁启停，燃烧器火焰长度调整在合理范围内，要保证燃料在炉内完全燃烧，且回燃室烟气 温度不超过设计值;提高司炉工业务操作水平能力，加强日常巡视，提高工作责任心，及时发现异常并处理消除安全隐患，确保锅炉安全运行。

5.结束语

锅炉是我国重要的热能转换设备，其中 wNs 型锅炉因其结构紧凑、热效率高、操作简单等优点被广泛采用。但是，由于结构设计、制造工艺、使用管理等方面的原因，该类型锅炉经常发生高温区烟管管端开裂安全隐 患。本文从实际案例出发，分析了开裂的原因并提出了预防措施，特别是在锅炉运行过程中的使用管理工作尤其重要，完善的使用管理制度不仅可 以延长锅炉使用寿命，更能取得较大的社会和经济效益，对锅炉的安全运行具有重要意义。

参考文献 ;

[1]黄家瑶 .wNs 系列全自动燃气锅炉的性能特点介绍[J].工业锅炉，2000 （4）：24-28.

[2]王明强，吴金星，王超，刘艳会.燃气锅炉烟管管端和管板裂纹分析及防止[J].中国特种设备安全，2016，32（3）：64-67.

[3]伍韶君，一台 wNs 型蒸汽锅炉烟管管端裂纹原因分析及其处理[J].工业锅炉，2018（2）：63-67.

[4]任强，张丽丽.燃油燃气锅炉高温区烟管裂纹事故分析[J].能源与环境， 2013（2）：24-26.