燃气锅炉回燃室烟管裂纹分析

夏 溪，桃 庆，吕权晋，杨国祥**

(1.云南省特种设备安全检测研究院，云南 昆明 650228，2.昆明永裕安锅炉工程有限责任公司，云南 昆明 650228)

2021年4月，在对一台卧式内燃锅壳湿背式燃气锅炉进行定期内部检验时，发现锅炉回燃室前管板高温区有4根焊接烟管渗漏。企业因此被迫停产，造成一定的经济损失。本文对此烟管裂纹渗漏事故的原因进行了分析，并提出了处理建议和预防措施。

1 锅炉概况

锅炉型号为WNS6-1.25-Y(Q)，2018年01月制造，2018年05月投入使用，使用天然气燃料。锅筒材质为Q245R，壁厚为 14 mm；回燃室前管板材质为Q245R，壁厚为 18 mm；螺纹烟管材质为20#(GB/T3087-2008)，规格为：φ 63.5 mm×3.5 mm。锅炉烟管与管板连接方式为焊接连接。锅炉的全自动水处理设备损坏半年，未修复。烟气流程为3回程，高温烟气经炉胆后部进入回燃室，转180°后进入回燃室前管板二回程入口区域，经过烟管到达锅炉前管板二回程烟气出口，再转180°后进入锅炉前管板左右侧三回程烟气进口，经锅炉后管板烟管出口进入烟箱、烟道、节能器，经烟囱排入大气。

2 检验情况

锅炉内部检验时发现，锅炉回燃室前管板高温区有4根烟管有渗漏痕迹。为进一步查清缺陷损坏程度，对烟管及其角焊缝增加磁粉探伤检查，回燃室前管板孔桥增加硬度检测和金相检验。检查情况如下：

锅炉炉胆顶部烟气出口正上方有5排二回程烟管，回燃室前管板烟管(回燃室内面对回燃室前管板)由上往下的第5排的由左往右的第7、8、9号(在炉胆烟气出口正上方中部位置)及第4排第8号高温区的烟管渗漏。肉眼可见4根烟管的管口有裂口或裂纹,但管板未发现变形。经磁粉检测，4根烟管管端及角焊缝上发现裂纹。其中，第5排7、8、9号烟管的裂纹长度分别为 6 mm、6 mm、8 mm，第4排第8号烟管裂纹的长度为 12 mm，但裂纹未延伸到管板上。烟管端伸出烟管角焊缝长度为0.5～1.5 mm，符合标准和设计要求；管板硬度值为128～131HB，无异常；管板金相组织为珠光体和铁素体，晶粒度8级，金相组织无异常。

锅筒内水垢厚度为2～3 mm，回燃室前管板孔桥间水垢厚度为5～6 mm，给水管出口附近的烟管和回燃室前管板炉胆正上方管束区的水垢厚度局部达 35 mm。

该企业水处理设备已损坏半年，未修复。锅炉给水直接注入硬度值为 9.4 mmol/L 的地下水。

3 原因分析

1)回燃室前管板孔桥间及烟管管束区结垢严重。锅炉运行时，炉胆内天然气燃烧产生800～900 ℃ 的高温烟气，经炉胆后部进入回燃室。烟气转180°后进入回燃室前管板二回程入口区域，烟管及管板经历着辐射、对流和传导的复杂传热过程，烟管及管板吸收高温烟气辐射热和对流传热，同时传递给锅内水介质。另一方面，烟气以一定流速进入烟管后，将以对流换热的形式将热量传递给烟管。根据传热学原理，烟管入口处存在非热稳定状态。对流换热系数，从烟管的入口开始，在一定范围内是不同的。在入口处，由于气体受到很大扰动，几乎不存在热边界层，所以其局部换热系数大于烟气在管内达到稳定流动状态后的换热系数，因而管板上烟管入口处的热负荷最大。锅炉正常运行时，烟管及管板金属受热面很快将热量传递给锅炉中的水，金属不会过热。根据有关资料，水垢的导热系数仅为金属材料导热系数的1/10～1/100，即 0.1 mm 水垢的热阻相当于加厚了钢材几毫米到几十毫米。也就是说，水垢增厚会导致换热能力下降，使金属壁温升高，若超过材料允许的工作温度，则会使金属的机械性能下降。其次，水垢的存在，也会使燃料燃烧所释放的热量不能有效地传递到锅炉水中。大量的热量被烟气带走，排烟温度升高，排烟热损失增加，热效率降低。为保证锅炉正常供汽，就得加大火焰增强燃烧，提高炉胆内的烟气温度，造成炉胆出口烟温过高，甚至超过设计允许温度，从而进一步加大烟管入口处的热负荷,烟管口也会过热被烧裂。外观检验发现，炉胆前管板水垢厚度一般为5～6 mm，给水管出口附近的烟管和回燃室前管板炉胆正上方管束区的水垢厚局部达 35 mm。烟管入口本来热负荷就较大，由于较厚水垢的堆积，进一步增加了烟管入口的热负荷，受热面不能得到及时有效的冷却，导致传热恶化。当烟管壁温升高，在超过金属材料允许使用温度时，烟管管口过热被烧裂，随着使用时间的推移，管口裂纹就延伸至烟管角焊缝。

2)管板管孔与烟管之间有间隙。焊接前后，如果间隙未消除，锅炉运行时，间隙内的水受热蒸发，产生的蒸汽滞留在间隙内。在加热过程中，滞留的蒸汽将会过热，当到一定程度时，蒸汽会喷出间隙；冷却后，锅水又进入间隙。此过程循环反复，使管板、烟管及焊缝金属处于冷热交变过程，形成热疲劳源。在冷热交变应力的作用下，易产生裂纹倾向。其次，间隙的存在，烟管与管板之间会出现环状水垢富集现象。沉积的水垢中含有三氧化二铁及四氧化三铁，与间隙金属形成电位差，出现电化学腐蚀，使间隙进一步扩大，从而又加重了金属材料开裂的倾向。

3)温差应力的存在。由于锅炉烟气采用三回程方式，二、三回程烟管在锅筒内采用下上及左右布置，高温烟气进口在回燃室前管板，低温烟气出口在锅炉后管板上，二回程有14排烟管，三回程有18排烟管。由于二回程的入口烟气温度一般在800～900 ℃，而三回程烟管出口烟气温度一般在200℃以下，因此二三回程形成较大的温差。再者，由于烟管及后管板各部位受热程度不同，冷却条件也不同，造成烟侧和水侧温差过大，形成较大的温差应力。结果是造成金属处于高应力状态下，这也是形成裂纹并扩展的原因之一。

4)频繁启停锅炉。据了解，该锅炉因生产工艺原因，启停炉较为频繁，负荷不稳定。管板与烟管采用焊接连接，存在焊接残余应力。压力时高时低，温度和压力的频繁波动，形成了较大的交变应力。随着应力循环次数的增加，产生的裂纹会进一步发展。

4 处理建议

由有相应资质的单位更换4根泄漏烟管，并注意以下几个环节：

1)修理单位应编制修理方案。根据相应的焊接工艺评定报告编制指导现场焊接的焊接工艺指导书或工艺卡，备齐合格的材料(管材、焊材)、工装设备，焊工资料齐全且在有效期内等；拆除烟管时，避免损伤管板或其他部件。

2)对锅炉内部进行清洗，将水垢清除干净。锅炉受热面被水垢覆盖80%以上，水垢厚度 ≥1 mm 时，可采用酸洗方法进行除垢。酸洗除垢应由专业清洗单位承担，应有可靠的工艺措施。清洗后应检查除垢情况，特别是管板的除垢效果，酸洗经监督检验合格。

3)严格控制烟管管端伸出长度。更换烟管时，应加强工艺控制，责任人员到位，严格执行有关标准。《锅壳锅炉》GB/T16508-2013第10.5.8条规定：焊接烟管在烟温>600 ℃ 的部位时，管端超出焊缝的长度应≤1.5 mm ；焊接烟管在烟温 ≤600 ℃ 的部位时，管端超出焊缝的长度可放大至 5 mm。因此，回燃室前管板处的烟管端超出焊缝的长度应控制在≤1.5mm，锅炉前管板处的管端超出焊缝的长度可至5mm。

4)相邻焊接管孔焊缝间距。《锅壳锅炉》GB/T16508-2013第9.4.5条、9.4.6条规定：管板焊接孔桥相邻焊缝边缘的净距离应 ≥6 mm，若进行焊后热处理，可不受此限制；管孔焊缝边缘至扳边起点的距离应 ≥6 mm。施焊过程中应加强控制。

5)消除管板管孔与烟管之间的间隙。《锅壳锅炉》GB/T16508-2013第9.4.7条规定：管板与 600 ℃ 以上的烟气接触，其采用焊接连接的烟管或者拉撑管应采取措施消除管孔与管子的间隙。修理时，管板与烟管焊接应采取合理的焊接顺序，减小焊接应力；焊接前应先轻度胀接，焊接完毕后再作一次贴胀，彻底消除管板与烟管的间隙。

6)烟管角焊缝外形尺寸应符合设计图样。咬边深度应 ≤0.5 mm，焊缝和热影响区表面不得有裂纹、夹渣、弧坑和气孔等缺陷。施焊完毕，外观检查、100%表面无损检测合格后，进行水压试验。

5 预防措施

该锅炉烟管产生裂纹漏水事故，主要原因在于管理人员和运行人员安全意识淡薄，未及时修复失效的水处理设备，长时间使用未经处理的地下水源，导致锅炉严重结垢。为保证锅炉安全经济运行，综合分析，提出以下几点预防措施：

1)加强水处理工作。修复失效的水处理设备；水处理人员应取得相应资格证书，根据规定时限和锅炉运行情况化验水质，锅炉原(生)水、软化水及锅(炉)水要达到《工业锅炉水质》GB/T1576-2018 标准的要求，做好化验记录。

2)增强责任心和安全意识。司炉人员应取得相应资格证书，锅炉管理人员应加强岗位培训和学习，严格遵守岗位职责，做好巡回检查和自身监督抽查工作，发现影响锅炉安全运行的问题应立即停炉并按规定报告，查明原因妥善处理后才能运行。

3)降低锅炉启停频率，减少负荷和压力波动，使锅炉平稳运行；调整燃烧器火焰时应符合锅炉使用说明书的要求，防止炉胆内火焰后移，避免炉胆出口烟温过高或超过设计要求造成烟管口烧裂。

4)锅炉进水管座设计位置尽可能在水位计水连管与最上排烟管之间。锅炉正常运行时，进水保护套管座浸在锅水中，避免进水管座产生热疲劳裂纹。同时，给水经过进水保护套管得到预热，减小给水温度与锅水温度的温度差，减小温差应力；避免锅内进水分配管出水管口直接冲刷锅炉前后管板和炉胆前管板，在进水分配管上开均匀的出水孔，其流通截面积的总和不小于进水管的流通截面积，减小温差应力。

5)定期对锅炉安全保护装置进行功能试验，特别是低水位报警和低水位联锁保护装置的功能试验，做好试验记录，防止缺水事故的发生。

卧式内燃锅壳式燃气锅炉结构紧奏，占地面积小，传热快，热效率高，安装方便，随着科学技术的进步，自动化程度越来越完善；锅炉水处理工作是保障锅炉安全和节能运行的重要环节之一，《锅炉安全技术规程》规定了相关要求，工作中要认真履行职责，确保锅炉安全经济运行。