摘 要:某承压蒸汽锅炉检修时发现其烟管端头处出现大量裂纹,采用宏观观察、扫描电镜分 析,以及热力计算和结构设计校核对烟管开裂原因进行了分析。结果表明:烟管端头部位温度过高 导致热疲劳开裂;锅炉结构存在严重的设计问题,锅炉炉胆长度太短,燃烧器与炉膛实际结构不匹 配,造成回燃室和烟管端头位置温度过高。

关键词:烟管;热力计算;结构设计校核;疲劳裂纹

中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)06-0054-04

某药厂购置的 WNS15-1.25-Q 型锅炉为典型的 卧式三回程燃气蒸汽锅炉(以下简称蒸汽炉)。该蒸 汽炉自投入使用以来,采取“一备一用”的方式交替 使用,运行约600d后对锅炉进行检修,发现锅炉烟 管端头处出现大量裂纹。

该蒸汽炉在投入使用一年多时,出现过防爆门 过烧和烟室孔圈烧穿现象,采用重新砌筑耐火墙,将 防爆门改为检查门的方式进行了处置。

该蒸汽炉的主要设计参数、结构尺寸及材料为: 额定蒸发量为15t/h;额定蒸汽压力为1.25 MPa; 额定蒸汽温度为194 ℃;给水温度为20 ℃;耐压试 验 压 力 为 1.65 MPa;计 算 天 然 气 消 耗 量 为 1293Nm 3/h。波 形 炉 胆 尺 寸 为 1 200 mm × 18mm(外径×壁厚),L2(炉胆长度)为4070mm, 材 料 为 Q245R 钢;回 燃 室 (燃 尽 室 )尺 寸 为 2000mm×18mm(外径×壁厚),L3(锅炉回燃室 长度)为650mm,材料为 Q245R 钢;回燃室后管板 尺寸为 2000mm×18mm(外径 × 壁 厚),材 料 为 Q245R 钢;蒸 汽 炉 外 形 尺 寸 (长 × 宽 × 高 )为 6.65m×2.76m×3.23 m 。为查明该蒸汽炉烟管 开裂的原因,笔者对其进行了理化检验以及热力计 算和结构设计校核分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

蒸汽炉烟管端头宏观形貌如图1所示,由图1 可以看出,烟管管端部位有轴向穿透裂纹,裂纹从管 端沿轴向扩展到角焊缝位置,裂纹透过角焊缝扩展 至管板管孔内。现场实际测量得到:管头伸出管板 长度(管端至管板面距离)I 为10~13mm;管子与 管板焊脚高度l1 为3~4mm;管子超出其与管板连 接焊缝的长度l2 为6~10 mm;焊脚宽度(径向尺寸)l3 为4~5mm;管子中心距h 为80 mm,管桥 h1 为10mm;管端穿透(管壁)裂纹长度a1 为15~ 20mm;角 焊 缝 上 裂 纹 (沿 径 向)长 度 a2 为 3~ 5mm。

烟管端头断裂成两部分,在端面可观察到深度 不等的7条裂纹,且裂纹均穿透壁厚(见图2)。图2 中箭头所指部位表面有氧化皮和裂纹,并且氧化皮 较厚。

1.2 扫描电镜(SEM)分析

将断口清洗后,用扫描电镜观察断口的微观形 貌,发现断口仍存在较多的氧化皮,烟管断口的微观 形貌如图3所示。由图3可知:裂纹从内表面向外表 面扩展;断口上有二次裂纹和弧形线,二次裂纹是从 烟管端头部位产生的;断口上有较厚且致密的氧化 皮;靠近管板焊缝位置的断口上存在二次裂纹。根据 断口的特点,可以推断断裂形式为高温热疲劳开裂。

烟管端头横截面微观形貌如图4所示,由图4 可知:烟管端头部位有多条裂纹,内表面裂纹数量比 外表面裂纹数量多。

将横截面分为 A~D4个区域,4个区域的显微 组织形貌如图5所示。A 区显微组织为铁素体和3 级球化珠光体[见图5a)];B 区显微组织与 A 区相 同,珠光体球化程度达到3级[见图5b)];C 区的显 微组织中出现少量的魏氏组织[见图5c)];D 区的 显微组织为粗大的4级魏氏组织[见图5d)]。

2 热力计算与结构设计校核分析

按照相关文献[1-2]和标准 TSG G0001—2012《锅炉安全技术监察规程》对蒸汽炉进行热力计算和 结构设计校核,同时对蒸汽炉现有结构分别按照蒸 发量15t/h和10t/h进行校核,关键参数的计算结 果如表1所示。

对表1的热力计算数据进行对比分析,得出结 果如下所述。

(1)按照蒸汽量15t/h能力设计,制造单位生 产的蒸汽炉在结构上存在严重问题。表1中15t/h 蒸汽炉的炉 胆 直 径 为 1.4 m,炉 胆 长 度 为 6.2 m。 WNS15-1.25-Q 型锅炉为定型锅炉,国内多家锅炉 厂都生产该型号锅炉,炉胆直径均为1.4m,炉胆长 度均大于6 m。该次事故的蒸汽炉炉胆直径仅为 1.2m,长度仅有4.07m,总体结构尺寸均比国内同 型号锅炉的尺寸小。

(2)蒸汽炉按照15t/h的天然气量运行,炉胆 长度按照 现 有 实 际 长 度 计 算,回 燃 室 温 度 可 达 到 1350 ℃左右;三回程出口温度超过300 ℃,高于设 计的额定温度;火焰长度达5.93 m,直接穿透锅炉 后侧。在查验维修记录时,发现有设备在投产一年 后,防爆门出现烧红及孔圈烧穿现象,说明设备运行 过程中火 焰 已 经 到 达 防 爆 门 处,火 焰 温 度 约 达 到 1400℃。

(3)按照蒸汽炉的结构尺寸进行校核计算,该 炉按10t/h炉参数运行勉强符合要求,但炉胆长度 不够,回燃室温度和排烟温度均偏高。如果天然气 消耗量为800~900Nm 3/h,基本相当于10t/h炉 参数运行。如果天然气流量超过850Nm 3/h,锅炉 仍存在安全隐患。

综上所述,蒸汽炉原始结构设计存在问题,即炉 胆尺寸过短。虽然炉体标牌是15t/h的蒸汽炉,但 实际总体结构基本属于10t/h的蒸汽炉结构,配备 15t/h的燃烧器,即燃烧室长度与燃烧机火焰长度 不匹配。按照15t/h的天然气量运行,必然造成炉 体部件烧坏和安全事故,且浪费天然气原料;10t/h 蒸汽炉勉强可以在安全情况下运行,但仍存在安全 隐患。

3 综合分析

烟管断面的显微组织是铁素体、球化3级珠光 体和魏氏组织,显微组织的变化说明烟管端头温度 发生了较大变化,使珠光体中的碳化物发生了球化 分解;魏氏组织的形成说明了烟管的端头部位温度 较高,约在1100℃以上,显微组织发生相变。魏氏 组织可降低材料的韧性。

断口周围没有任何塑性变形,断口上有较厚的 氧化皮和二次裂纹,说明在高温下产生脆性开裂。 烟管端头形成的魏氏组织降低了材料的韧性,增加 了组织应力,可促进裂纹的形成与扩展。烟管端头 在工作载荷和组织转变等应力的作用下出现开裂。

热力计算证明,该蒸汽炉炉胆长度过小(仅有4m 长)。按15t/h能力运行时,火焰直接燃烧到 回燃室等相关部位,回燃室温度高达1400 ℃。烟 管端头形成的魏氏组织证明了烟管端头的温度较 高,说明是烟管端头发生了相变。回燃室管板没有 绝热保护,烟管没有保护端头,从而导致烟管端头温 度过高。

GB/T16508.4—2013《锅壳锅炉 第4部分:制 造、检验与验收》和JB/T1619—2002 《锅壳锅炉本 体制造技术条件》规定:当烟温大于600 ℃时,管子 超出其与管板连接焊缝的长度不应大于1.5 mm。 该炉的管子与管板连接焊缝的长度超过6mm。火 焰直接燃烧管头,使管头温度升高,管头不仅承受组 织转变带来的组织应力,还有温度变化的热应力等 作用。

GB/T16508.3—2013《锅壳锅炉 第3部分:设 计与强度计算》规定:相邻焊接管孔焊缝边缘的净间 距不宜小于6mm;管子与管板焊接时“孔桥应使相 邻焊缝边缘的净距离不小于6mm”。该炉的管子 中心距为80mm,管桥为10 mm;焊脚宽度为4~ 5mm。相邻 焊 接 管 孔 焊 缝 边 缘 的 净 间 距 几 乎 为 0mm。管头焊缝存在较大的焊接残余应力也是造 成管头和焊缝部位开裂的另一个原因。

对失效机理、热力计算与结构设计校核结果进 行综合分析,可以得出蒸汽锅炉结构不合理是该蒸 汽炉烟管开裂的原因。

4 结语

(1)烟管端头在高温环境的作用下产生高温热 疲劳开裂。

(2)回燃室的管板和烟管端头等均没有设置绝 热保护,造成烟管端头温度过高。

(3)该蒸汽炉烟管开裂的主要原因是锅炉结构 设计存在严重问题,炉胆长度尺寸过小,燃烧器与炉 膛实际结构不匹配,均造成回燃室温度过高,火焰直 接燃烧管板和烟管端头,使端头位置的温度过高。

(4)锅炉烟管端头伸出管板过长、管间距过小、 烟管端头不整齐等加速了烟管端部开裂。

参考文献:

[1] 工业锅炉设计计算方法编委会.工业锅炉设计计算方 法[M].北京:中国标准出版社,2005.

[2] 冯俊凯.锅炉 原 理 及 计 算 [M].北 京:科 学 出 版 社, 2003.

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 6期 (pp:54-57)>