淺析熱水鍋爐管端裂紋的產(chǎn)生原因及預(yù)防的有效措施

賈春亮

在鍋殼式燃油燃?xì)鉄崴仩t的內(nèi)部檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)煙管的高溫?zé)煔馊肟诠芏水a(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致煙管泄漏是這種爐型最常見的失效形式。本文結(jié)合鍋爐運(yùn)行工況試圖對煙管管端產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析，并提出一些防范管端產(chǎn)生裂紋的有效措施。

一、 管理裂紋的形態(tài)和缺陷部位的金相組織

通過對泄漏鍋爐煙管管端裂紋滲透檢測，發(fā)現(xiàn)常見的管端裂紋形態(tài)有：軸向裂紋、徑向裂紋、周向裂紋和混合型裂紋。煙管內(nèi)壁的軸向裂紋長短不一，較短的軸向裂紋距離管端約有幾毫米，較長的軸向裂紋已裂至角焊縫表面，形成幾毫米長度不等的放射狀裂紋； 周向裂紋一般是沿角焊縫根部的未熔合區(qū)開裂的；混合型裂紋是上述三種裂紋形態(tài)的組合，一般是在形成周向裂紋后，再出現(xiàn)軸向和徑向裂紋，可以說是周向裂紋的進(jìn)一步發(fā)展。管孔周圍一般沒有裂紋，少數(shù)情況管孔周圍能發(fā)現(xiàn)放射狀裂紋，管孔周圍的放射狀裂紋有的在管端徑向裂紋的延伸方向上。

二、煙管管端裂紋產(chǎn)生的原因

煙管裂紋一般是從距管端一定距離的煙管外壁發(fā)展而成的，這與管端因冷卻不好過熱而引起的裂紋不同，同時(shí)煙管還有周向裂紋，說明裂紋源不可能在管口端面。引起裂紋的機(jī)理非常復(fù)雜，結(jié)合鍋爐運(yùn)行工況分析，裂紋的產(chǎn)生主要受到以上幾種因素的影響。

1.管端角焊縫部位熱應(yīng)力大

燃油燃?xì)忮仩t的燃燒強(qiáng)度大，煙氣進(jìn)入回燃室的溫度一般在900℃左右，回燃室管板溫度相對較低，所以管板要吸收來自高溫?zé)煔獾妮椛錈帷Ｍ瑫r(shí)，煙氣以一定速度進(jìn)入煙管后，以對流傳熱的方式將熱量傳給煙管。就整個(gè)管板而言，其接受的熱輻射是比較均勻的，但管孔周圍的管板，除了接受輻射熱，還接受煙管吸收的對流換熱量，這部分熱量是通過煙管和管板的連接部位傳給管板的，在管孔處管板接受的熱量是輻射和對流兩部分熱量的疊加。在管子入口處，由于煙氣流動受到很大擾動，幾乎不存在熱邊界層，其局部放熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煙氣在管內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定流動后的放熱系數(shù)，這就是所謂的“入口效應(yīng)”?！叭肟谛?yīng)”使煙管和管板受熱產(chǎn)生很大的不均勻性，管端煙氣入口處熱負(fù)荷最大，會因?yàn)槭軣崤蛎洸痪?，在角焊縫連接部位產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。

2.煙管與管板角焊縫應(yīng)力集中

在制造或修理過程中，因管孔未開坡口，或技術(shù)規(guī)范中明確要求的焊前預(yù)脹消除間隙的工序被忽略，或焊工作業(yè)人員未完全遵照焊接工藝施焊，則焊后焊縫根部可能有未焊透、未熔合等缺陷，減少焊縫的有效承載面積，造成局部應(yīng)力集中，而且存在很大的焊接殘余應(yīng)力。

三、預(yù)防管端裂紋產(chǎn)生的有效措施

通過以上對煙管管端裂紋產(chǎn)生原因的分析，可以采取以下有效措施預(yù)防管端裂紋的產(chǎn)生。

1.煙管與管板裝配連接工藝的改進(jìn)。在制造或修理時(shí)，焊接前有預(yù)脹要求時(shí)，應(yīng)在工藝規(guī)范中明確規(guī)定，預(yù)脹的脹管率不小于1%，保證煙管與管孔壁完全貼合。無論是制造廠生產(chǎn)，還是現(xiàn)場修理，煙管與管板焊接時(shí)，都應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行已制定的工藝規(guī)范，焊接前一定要預(yù)先烘干焊條，焊接時(shí)保證周邊環(huán)境溫度符合規(guī)范要求。

為減小“入口效應(yīng)”的影響，可將煙管高溫端入口適度擴(kuò)大，再襯入耐熱套管，如圖1所示。為了減小管板所受的輻射熱負(fù)荷，降低高溫?zé)焻^(qū)管板和管孔角焊縫的壁溫，還可以在回燃室管板外壁敷上適當(dāng)厚度的隔熱層。

2.加強(qiáng)鍋爐的水質(zhì)管理工作。使用單位應(yīng)在鍋爐房配備至少一名持證的專職水處理化驗(yàn)人員，并做好水質(zhì)的化驗(yàn)記錄工作。嚴(yán)格執(zhí)行GB/T1576《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證鍋水各項(xiàng)指標(biāo)在規(guī)定范圍內(nèi)，使鍋內(nèi)能夠達(dá)到良好的防腐阻垢效果。配置專人監(jiān)管水處理工作，同時(shí)，還可以指導(dǎo)司爐操作人員科學(xué)的排污，既避免過度排污造成能源、資源的浪費(fèi)，又避免排污不足造成鍋內(nèi)結(jié)垢。

額定功率大于等于7.0MW的承壓熱水鍋爐，給水應(yīng)進(jìn)行除氧，其它鍋爐給水應(yīng)盡量除氧，對于沒有給水除氧設(shè)備的熱水鍋爐系統(tǒng)，應(yīng)考慮軟水中使用亞硫酸鈉作為除氧劑或添加有機(jī)除氧藥劑。亞硫酸鈉是白色或無色晶體，易溶于水，是較強(qiáng)的還原劑，能與水中溶解氧發(fā)生如下氧化還原反應(yīng)：

2Na2So3+O2=2Na2SO4

每除去1g氧，約需8g無水亞硫酸鈉，常溫常壓下，水中含氧量約為8.8mg/L，理論計(jì)算無水亞硫酸鈉用量為69.3mg/L。在日常應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際補(bǔ)水量來確定加藥量，留有富余量10%～20%即可。

應(yīng)對敞口使用的軟化水箱，加裝可以浮動的輕質(zhì)材料蓋板或薄膜與空氣隔絕，在浮動蓋板或薄膜上留出加藥口（不用時(shí)封閉），或在給水管路系統(tǒng)中增設(shè)加藥裝置和加藥泵，用以添加亞硫酸鈉或其它有機(jī)除氧藥劑。特別是系統(tǒng)補(bǔ)水量大，補(bǔ)水量多時(shí)更應(yīng)如此改造，可使給水的含氧量保持較低的水平。

3.杜絕系統(tǒng)的跑、冒、滴、漏、控制補(bǔ)給水量。使用單位應(yīng)當(dāng)合理安排對系統(tǒng)的管道、閥門、法蘭進(jìn)行檢修，對發(fā)現(xiàn)滲漏的部位進(jìn)行修理或更換，及時(shí)采取措施解決系統(tǒng)的跑、、冒、滴、漏等問題。對熱水鍋爐，可以往鍋水里添加栲膠或腐阻垢的效果，又能充當(dāng)染料使系統(tǒng)水著色，減少用戶的用水現(xiàn)象?？刂蒲a(bǔ)給水量可以減少鍋爐房水、電用量，避免鈉離子交換器頻繁再生，減少因調(diào)節(jié)鍋水品質(zhì)而添加的藥量，防止過量氧氣和二氧化碳進(jìn)入鍋爐，減少補(bǔ)給水帶入鍋內(nèi)的硬度物質(zhì)，能夠減緩鍋爐的腐蝕、結(jié)垢速率，降低鍋爐運(yùn)行成本，延長鍋爐使用壽命。

4.改進(jìn)鍋爐自動控制方式。推薦燃油燃?xì)鉄崴仩t采用比例調(diào)節(jié)模式控制鍋爐運(yùn)行，避免鍋爐頻繁啟停。這種控制方式大大減少了鍋爐的啟停次數(shù)，可以減緩交變應(yīng)力對受壓部件，尤其是煙管與管板角焊縫處的破壞作用，避免發(fā)生低周應(yīng)力疲勞。同時(shí)，可以減少水垢脫落、堆積造成局部區(qū)域的水循環(huán)不良，降低閉塞區(qū)內(nèi)腐蝕性熱疲勞發(fā)生的可能性。但是，小火燃燒容易造成爐內(nèi)積碳現(xiàn)象發(fā)生，因此，要做好燃燒器的風(fēng)量配比調(diào)節(jié)工作，并在每年停爐檢修期間做好積碳清理和停爐維護(hù)保養(yǎng)工作。

5.直接供熱改為間接供熱。對于具有經(jīng)濟(jì)條件的鍋爐使用單位，如果鍋爐房空間允許，可以考慮對供熱系統(tǒng)進(jìn)行改造，加裝“水—水”換熱器，把直接供熱方式改造成間接供熱方式，從而把鍋爐與供熱循環(huán)系統(tǒng)分離，形成獨(dú)立的二次循環(huán)系統(tǒng)。