卧式锅壳锅炉管板高温段裂纹分析、预防及改进措施

【摘 要】本文分析和论述了卧式锅壳锅炉管板高温段裂纹形成、产生原因、预防措施和锅炉改造的几种方案，对锅炉维修改造和改型设计有指导作用。

    【关键词】卧式锅壳锅炉 管板高温段裂纹        卧式锅壳锅炉占地面积小，易运输安装，为低压锅炉，广泛用于工业生产、生活采暖，占我国工业锅炉产品首位。随着技术的不断更新，炉型在设计、结构上显现缺陷，表现为锅内氧腐蚀、锅筒底部鼓包和锅炉管板高温段裂纹问题。裂纹处于高温烟气入口处管孔区，并向两边孔桥延伸，产生管板开裂事故隐患。对此提出预防对策和改进措施。   

    一、以例分析产生裂纹的原因        某单位一台DZW4-1.25改热水炉运行三年，主要参数是锅炉管板材质20g，烟管20＃Φ63.5×3.5，循环方式为强制循环，采用下进上出式的循环方式，用途为生活采暖，锅炉启停频繁，无炉外水处理设备，热力系统较多，锅炉补水量较大，运行采用炉内加药方法。    通过锅炉内部检验：（l）锅筒内部结垢严重，水垢厚度3mm-5mm，为碳酸盐水垢。（2）锅炉氧腐蚀较重，锅筒内壁、烟管、前后管板氧腐蚀2.5mm-3.0mm。（3）烟管伸出管板端部长20mm。（4）检查发现管板高温入口处管孔区有2条穿透裂纹，一条裂纹向两边孔桥区延伸穿过两管孔孔桥，裂纹长70mm，宽lmm，另一条已贯通管孔孔桥区，有向内延伸趋势。    为确定裂纹性质，将管孔区打磨平整进行显微金相分析，己斜穿第2、3排管孔有较多辐射状裂纹、孔桥上有龟裂，金相检查发现裂纹有分叉现象为晶间裂纹，裂纹尾端圆钝，裂纹内部有腐蚀产物，球化严重。    原因分析一：    1.根据裂纹形貌和显微金相分析结果，判断裂纹有待性脆化引起。（1）锅水一定含有某些物质，特别是氢氧化物，当其被浓缩的同时，又与有应力的钢材接触，会产生晶间裂纹。（2）一定有锅水流入或穿过的接头、接缝或裂纹。（3）在这些接头、接缝或裂纹中，锅水被浓缩。（4）钢材上接触化学物质的地方，必须有局部总应力。    2.从运行情况和制造工艺分析，该炉具备待性脆化条件：（1）煮炉除垢加药量严重超标，炉水碱度极高，在高碱度下运行时间过长，形成待性脆化环境，使炉水中氢氧化浓度在10%以上。    （2）管板与烟管间采用角焊缝连接，该炉制造焊接前后未进行胀接，管板与烟管间存在缝隙，锅水进入缝隙，特别是高温烟气入口，炉水在此高度浓缩。    （3）受热面结垢严重，水垢传热系数较钢板低数十倍，使高温烟气冲刷后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，形成待性脆化的第四个条件。    原因分析二：    后管板高温区热负荷较高，易在管板与水接触面产生一层气膜，该处由于水流速低，不能将气膜及时带走，使气膜下的金属得不到冷却，导致金相组织球化，金属产生热疲劳，加速了裂纹扩展。    （1）后管板近管区域水循环不良，导致近管外产生“过冷沸腾”，易产生热裂纹。    （2）管板上的管孔与管子间存在间隙，处于高温区的部分管子，焊前焊后不进行胀管，在锅炉运行后，间隙中的炉水受热蒸发形成两个近圆环，使管板产生疲劳裂纹。    （3）管板与管子连接处采用焊接，2、3回程在后管板温差500℃-700℃，受拉应力、弯应力、温差应力叠加，热水锅炉频繁起停，使管板与管子角焊缝局部产生裂纹。    （4）后管板高温区的热负荷最高，由于“进口效益”和管端冷却不良，使管端过热产生裂纹并延伸至管板。    （5）烟管伸出管板较长，冷却不良，管端产生过热裂纹并延伸至管板。    （6）水质不合格，后管板管区水侧结垢，导致管板过热产生裂纹。 原因分析三：    锅炉运行多年，当管板出现裂纹时，管板金属组织发生变化，材料机械性能下降，对开裂20g管板进行化学成分和金相分析发现：管板化学成分符合20g钢板国家标装运标准要求。因此，管板一旦出现裂纹，局部机械性能下降。    原因分析四：    产生裂纹是由炉型结构所致，该炉热力计算推荐值为上升管的流速在炉膛内≥0.8M/S，对流段≥0.5M/S，下降管的流速在炉膛内≥1.4M/S，对流段≥1.0M/S，锅筒内壁流速低于0.01M/S，锅筒内的水流速相当低，不能带走热量，造成锅筒内形成循环死区，壁温升高，材料抗拉强度值大幅度下降，金属产生热疲劳裂纹。        二、预防与对策        l.对定型生产该炉型制造厂家应具有将图纸转化为工艺制造的能力，严格执行规程和锅炉制造技术条件及相关要求。    （1）管板管孔应采用机械加工，管孔应控制在中Φ64.5 0.74，工艺采用先胀后焊。胀管应在管端密封焊接前进行，焊后再加胀。以减少管孔与管子间的间隙，避免锅筒的锅水流入管孔区内，不断浓缩、蒸发造成的热疲劳产生的裂纹。    （2）严格控制管子伸出管孔端长度，管子伸出管孔长度应为管子的焊角高度加1.5mm。如Φ63.5的管子，管子伸出管孔端长度6.5mm，防止管子伸出管孔端过长产生裂纹并延伸至管板孔桥。    2.对于运行的锅炉应进行改造    （1）降低烟气入口处烟气温度，在炉膛后1/3处靠近炉膛烟气入口处横向布置一至二组对流管束，对流管直径应大于38mm，降低烟气入口处的烟气温度，通过热力计算，降到700℃-750℃。    （2）强化锅筒后管板锅水的扰动，改善处于循环死区的区域，使锅内的水有一定流动性，强化循环冷却，使材料不至于升高。    （3）在后棚管入锅筒水侧管孔处，加一排改变进水方向的水盒，使锅炉回水入棚管的水向下进入锅筒底部，造成锅炉后管板处产生扰动，改善水的流动方式。    （4）在锅筒内壁后部两根Φ133下降管孔加限制流量的限流装置，使锅内的水有一定流动性。    （5）对那些烟气流程上下分布的锅炉，采用改整体炉拱法。    改整体炉拱是在炉膛中造一个炉拱，将炉膛一分为二，高温烟气被引到前管板，经全部烟管到后管板，没有第二、第三烟程之分，对防止管板裂纹、锅筒鼓包有明显作用。    3.加强运行管理及维护保养    锅炉水质处理一定按“锅炉水处理监督管理规则”要求进行，要配备水处理人员，每班至少排污一次，应有防止系统丢水措施，预防水垢生成；锅炉运行要执行“锅炉房管理规则”；炉化学清洗应有锅炉清洗方案和可靠工艺，由专业单位承担。