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中心回燃式蒸汽锅炉前管板管口出现裂纹的情况研究

2020-09-08 524 上传者：管理员

摘要：本文针对某种型号的中心回燃式蒸汽锅炉前管板管口发现裂纹，分析了产生原因，提出了改进方法，降低了前管板处的烟温，实现了锅炉安全、高效地运行。

关键词：
中心回燃
前管板
管口裂纹
质量保证
锅炉
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1、问题的提出

在近几年对中心回燃式燃气蒸汽锅炉这种炉型内部检验过程中，连续发现前管板管口管端裂纹，带有一定的普遍性，基本上，这种炉型上面都发现存在此类问题。

锅炉型号：WNS4-1.0-YQ，蒸发量4t/h，额定压力：1.0MPa，饱和蒸汽温度184℃，燃料为天然气，烟气流程为中心回燃式三回程结构。

2、厂家处理和交流

发现问题后，经与使用单位交流，由使用单位联系生产厂家到现场处理，生产厂家非常重视，派出质量保证工程师和相关工程技术人员到现场，到现场后，质量保证工程师对锅炉内外部进行检查，工程技术人员对前管板管口管端进行清理，并对前管板全部烟管管口进行了渗透检测。经过渗透检测，确定了管口裂纹的位置和能看到的深度。

生产厂家显然对这种情况的处理已经不是第一次，从他熟练程序上来看，已经处理过多次。据质量保证工程师讲，这个前管板管口烟气温度达到了800～1000℃，要比其他单位生产的三回程锅炉进口温度要高。

他们也想在使用单位方面查找原因，比如，水质处理方面、锅炉内部的水垢情况等。

3、几个可能的原因

高温烟区管板发生泄漏和裂纹的情况较为普遍，原因较复杂，从以往多次检查锅炉烟管管端裂纹产生原因看，可能有以下几种。

3.1烟管管口伸出管板长度超标

根据TSGG0001-2012《锅炉安全技术监察规程》、GB/T16508.4-2013《锅壳锅炉》制造、检验与验收，对于位于烟气温度600℃以上的烟气接触的管板焊接连接的烟管，要求消除管板管孔与管子外壁的间隙措施，且烟管管口伸出长度不应大于1.5mm。

现在锅炉管端的情况是，在锅炉制造厂，采用先胀接，当间隙基本消除后，才开始进行焊接，这种处理方法可以减少管端焊接产生的应力和管子外端与管孔之间的间隙。

经现场检查，出厂时，制造厂家已将管端处理到与管板齐平，因此，也就不存在烟管管口伸出长度超标问题。

3.2锅炉水质达不到标准要求

锅炉水质达不到标准要求，容易产生水垢，水垢的导热能力很差，导热系数只有未结水垢钢材的1%～10%，使管板和管口的导热性能变差，燃烧器燃烧产生的热量不能及时地传递到锅水里，大量的热量被烟气携带，导致管板和管口局部温度升高，当温度超过金属所能承受的允许工作温度时，强度降低，管口产生裂纹。在进行锅炉内部检查时，并没有发现锅炉内部有明显的水垢，很显然，也不是锅炉水质达不到标准造成的。

3.3锅炉超负荷运行，使用过程中升压速度过快

有些单位出于成本考虑，购买的锅炉会偏小，产生小车拉大马的现象，在用汽量高峰的时候，锅炉处于一种超负荷运行的状态，用户为了让锅炉产出更多的蒸汽量，会加大燃烧量，大小火一起上，使用过程中升压速度过快，烟气量增加，烟气流速加大，使得前管板和管口出现严重过热，造成管端温度不平衡，产生温差应力，导致前管板管口裂纹的产生。

而产生问题的单位，一家有4台锅炉，另一家有3台锅炉，平时都只使用1台锅炉，在出力不够时，完全可以再增加1台锅炉运行即可。因此，排除锅炉是因为超负荷运行而产生问题。

排除了以上可能的产生原因，那产生问题的原因会是什么呢？

4、原因分析

(1）由于这种结构锅炉的燃烧器装设于炉胆前端位置，因此，前管板烟管管口所处位置是火焰在炉膛内经过辐射传热后，高温烟气从炉胆向前回流进入烟管的第2回程进口处，也是整个烟气回程中的高温区域和锅炉内部结构的薄弱部位。另外，前管板区域温度很高，按制造厂说法能达到800～1000℃，烟气进入管口，一方面，前管板和管口要吸收燃烧器燃烧时发出的火焰的高温辐射热量；另一方面，烟气在这个部位，会以一定的流动速度进入烟管内部，在烟管的入口部位存在局部“进口效应”，在入口处，由于高温烟气受到很大扰动，几乎不存在热边界层，其局部换热能力非常强烈，热负荷非常大，同时，烟管和管板之间不可避免的存在间隙，形成较大的热阻，不能把火焰和烟气的热量及时传递给炉水，导致管板和烟管管端的温度非常高。有可能超过材料的允许使用温度。因此，前管板与烟管的工作环境和温度是非常恶劣的。烟管管端容易形成热应力，产生疲劳裂纹。在此情况下，受火焰高温辐射部位的工作温度较高，过高的工作温度会引起材料强度降低、温差应力增大等诸多不利影响。

(2）烟管管口胀接未完全达到要求。从进入锅炉内部区域可以看到，前管板、烟管的胀接没有完全按照图纸的要求进行，管板管口和烟管外壁之间存在约0.5mm的间隙。这些间隙会渗入炉水，炉水吸热后，会形成气泡，气泡在间隙中，有产生、长大、进而破裂的过程，给烟管管口带来持续的冲击应力，造成周期性的应力波动。

(3）频繁启停。出现问题的几家使用单位都为五星级酒店，对用汽要求很高，压力必须保持稳定。在实际使用过程中，锅炉压力值被设定为0.9MPa启动，0.95MPa停炉，二者之间压力差距较小，经现场询问锅炉操作人员，锅炉约10min启停一次，较小的蒸汽压力启动停止调整范围，造成锅炉内部温度的热循环以及由此引发的热应力。

中心回燃式锅炉这种炉型，由于结构紧凑、制造相对简单，一般用在燃油、气热水锅炉上，用在燃油、气蒸汽锅炉上，由于蒸汽锅炉炉水温度高于热水锅炉炉水温度，造成炉胆出口的烟温往往较高，前管板烟管管口既要承受火焰的辐射传热，还要接受高温烟气的传导热，因此，前管板管口成为整台锅炉的一个薄弱部位，工作环境相对恶劣，管口裂纹应是高温烟气的流动，流动速度的增加，传热的局部恶化，热应力的叠加，以及相对频繁的启动停止锅炉几个方面原因共同作用产生的结果。

5、改进方法

针对以上几个方面原因的分析，根据锅炉内部检验的情况，采取了以下方面的改进：

(1）针对锅炉本身蒸发量有余量的情况，调整启炉和停炉的压力，调整燃烧器，延长锅炉单次燃烧的运行时间，同时，在用汽要求高的部门，在管线上加装贮汽罐，形成一定的贮汽能力，以减少周期性的波动。

(2）对燃烧器喷嘴进行局部调节，把燃烧器燃烧筒的长度，调节到燃烧器可以调节的最大长度，延长火焰的长度，并且向炉膛内部延伸，使得火焰的辐射传热尽可能在炉胆内部完成，从而减少前管板和烟管管口的辐射传热量，达到降低前管板和烟管管口外部温度的目的。

由传热学原理可知，辐射传热与热力学温度的4次方成正比，经过锅炉房内同型号的锅炉的对比试验，把燃烧器燃烧筒调节长度后，前管板和烟管管口烟气温度由1000℃下降到890℃左右，显著降低了管端的热负荷。

(3）将管板坡口按出厂图纸进行加工，焊接前，严格控制预胀，焊接完成后，焊口管端与管板加工齐平，并在管子前端内部加工小圆弧。修理时，要注意以下两点：(1)烟管与前管板重新焊接前，应先胀后焊，消除管子与管孔的间隙；(2)管板上坡口尽可能开深一点，使角焊缝的熔深尽可能大一些。

(4）锅炉维修后，经验收合格后，锅炉继续投入运行。锅炉操作人员必须严格执照锅炉操作程序进行启炉、停炉。并且按照GB1576-2018《工业锅炉水质》要求进行水质处理，使二回程烟管表面不结水垢和锅筒内不积聚水渣、水垢。

6、结语

通过以上几个方面改进方法的实施，锅炉使用一年并未发现有再次泄漏的现象，锅炉尾部烟道的排烟温度也得到了一定程度的降低，并在随后连续三年的工业锅炉内部检验过程中，没有发现烟管管口有明显的裂纹。所以，从安全性和实际使用效果方面来考虑，改造修理方案是可行的。

中心回燃式燃油、气锅炉前管板管口部位受热条件相对较差，其安全工况和锅炉的结构、锅炉介质、管板强度有着直接的关系，与制造单位工艺纪律的执行，同时，与使用单位水处理状况、运行的控制有很大的关联。

吴富强,蔡斌.中心回燃式蒸汽锅炉前管板管口裂纹分析[J].中国设备工程,2020(17):145-146.