摘 要:某承壓蒸汽鍋爐檢修時發(fā)現(xiàn)其煙管端頭處出現(xiàn)大量裂紋,采用宏觀觀察、掃描電鏡分 析,以及熱力計算和結構設計校核對煙管開裂原因進行了分析。結果表明:煙管端頭部位溫度過高 導致熱疲勞開裂;鍋爐結構存在嚴重的設計問題,鍋爐爐膽長度太短,燃燒器與爐膛實際結構不匹 配,造成回燃室和煙管端頭位置溫度過高。
關鍵詞:煙管;熱力計算;結構設計校核;疲勞裂紋
中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)06-0054-04
某藥廠購置的 WNS15-1.25-Q 型鍋爐為典型的 臥式三回程燃氣蒸汽鍋爐(以下簡稱蒸汽爐)。該蒸 汽爐自投入使用以來,采取“一備一用”的方式交替 使用,運行約600d后對鍋爐進行檢修,發(fā)現(xiàn)鍋爐煙 管端頭處出現(xiàn)大量裂紋。
該蒸汽爐在投入使用一年多時,出現(xiàn)過防爆門 過燒和煙室孔圈燒穿現(xiàn)象,采用重新砌筑耐火墻,將 防爆門改為檢查門的方式進行了處置。
該蒸汽爐的主要設計參數(shù)、結構尺寸及材料為: 額定蒸發(fā)量為15t/h;額定蒸汽壓力為1.25 MPa; 額定蒸汽溫度為194 ℃;給水溫度為20 ℃;耐壓試 驗 壓 力 為 1.65 MPa;計 算 天 然 氣 消 耗 量 為 1293Nm 3/h。波 形 爐 膽 尺 寸 為 1 200 mm × 18mm(外徑×壁厚),L2(爐膽長度)為4070mm, 材 料 為 Q245R 鋼;回 燃 室 (燃 盡 室 )尺 寸 為 2000mm×18mm(外徑×壁厚),L3(鍋爐回燃室 長度)為650mm,材料為 Q245R 鋼;回燃室后管板 尺寸為 2000mm×18mm(外徑 × 壁 厚),材 料 為 Q245R 鋼;蒸 汽 爐 外 形 尺 寸 (長 × 寬 × 高 )為 6.65m×2.76m×3.23 m 。為查明該蒸汽爐煙管 開裂的原因,筆者對其進行了理化檢驗以及熱力計 算和結構設計校核分析。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
蒸汽爐煙管端頭宏觀形貌如圖1所示,由圖1 可以看出,煙管管端部位有軸向穿透裂紋,裂紋從管 端沿軸向擴展到角焊縫位置,裂紋透過角焊縫擴展 至管板管孔內(nèi)?，F(xiàn)場實際測量得到:管頭伸出管板 長度(管端至管板面距離)I 為10~13mm;管子與 管板焊腳高度l1 為3~4mm;管子超出其與管板連 接焊縫的長度l2 為6~10 mm;焊腳寬度(徑向尺寸)l3 為4~5mm;管子中心距h 為80 mm,管橋 h1 為10mm;管端穿透(管壁)裂紋長度a1 為15~ 20mm;角 焊 縫 上 裂 紋 (沿 徑 向)長 度 a2 為 3~ 5mm。
煙管端頭斷裂成兩部分,在端面可觀察到深度 不等的7條裂紋,且裂紋均穿透壁厚(見圖2)。圖2 中箭頭所指部位表面有氧化皮和裂紋,并且氧化皮 較厚。
1.2 掃描電鏡(SEM)分析
將斷口清洗后,用掃描電鏡觀察斷口的微觀形 貌,發(fā)現(xiàn)斷口仍存在較多的氧化皮,煙管斷口的微觀 形貌如圖3所示。由圖3可知:裂紋從內(nèi)表面向外表 面擴展;斷口上有二次裂紋和弧形線,二次裂紋是從 煙管端頭部位產(chǎn)生的;斷口上有較厚且致密的氧化 皮;靠近管板焊縫位置的斷口上存在二次裂紋。根據(jù) 斷口的特點,可以推斷斷裂形式為高溫熱疲勞開裂。
煙管端頭橫截面微觀形貌如圖4所示,由圖4 可知:煙管端頭部位有多條裂紋,內(nèi)表面裂紋數(shù)量比 外表面裂紋數(shù)量多。
將橫截面分為 A~D4個區(qū)域,4個區(qū)域的顯微 組織形貌如圖5所示。A 區(qū)顯微組織為鐵素體和3 級球化珠光體[見圖5a)];B 區(qū)顯微組織與 A 區(qū)相 同,珠光體球化程度達到3級[見圖5b)];C 區(qū)的顯 微組織中出現(xiàn)少量的魏氏組織[見圖5c)];D 區(qū)的 顯微組織為粗大的4級魏氏組織[見圖5d)]。
2 熱力計算與結構設計校核分析
按照相關文獻[1-2]和標準 TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》對蒸汽爐進行熱力計算和 結構設計校核,同時對蒸汽爐現(xiàn)有結構分別按照蒸 發(fā)量15t/h和10t/h進行校核,關鍵參數(shù)的計算結 果如表1所示。
對表1的熱力計算數(shù)據(jù)進行對比分析,得出結 果如下所述。
(1)按照蒸汽量15t/h能力設計,制造單位生 產(chǎn)的蒸汽爐在結構上存在嚴重問題。表1中15t/h 蒸汽爐的爐 膽 直 徑 為 1.4 m,爐 膽 長 度 為 6.2 m。 WNS15-1.25-Q 型鍋爐為定型鍋爐,國內(nèi)多家鍋爐 廠都生產(chǎn)該型號鍋爐,爐膽直徑均為1.4m,爐膽長 度均大于6 m。該次事故的蒸汽爐爐膽直徑僅為 1.2m,長度僅有4.07m,總體結構尺寸均比國內(nèi)同 型號鍋爐的尺寸小。
(2)蒸汽爐按照15t/h的天然氣量運行,爐膽 長度按照 現(xiàn) 有 實 際 長 度 計 算,回 燃 室 溫 度 可 達 到 1350 ℃左右;三回程出口溫度超過300 ℃,高于設 計的額定溫度;火焰長度達5.93 m,直接穿透鍋爐 后側。在查驗維修記錄時,發(fā)現(xiàn)有設備在投產(chǎn)一年 后,防爆門出現(xiàn)燒紅及孔圈燒穿現(xiàn)象,說明設備運行 過程中火 焰 已 經(jīng) 到 達 防 爆 門 處,火 焰 溫 度 約 達 到 1400℃。
(3)按照蒸汽爐的結構尺寸進行校核計算,該 爐按10t/h爐參數(shù)運行勉強符合要求,但爐膽長度 不夠,回燃室溫度和排煙溫度均偏高。如果天然氣 消耗量為800~900Nm 3/h,基本相當于10t/h爐 參數(shù)運行。如果天然氣流量超過850Nm 3/h,鍋爐 仍存在安全隱患。
綜上所述,蒸汽爐原始結構設計存在問題,即爐 膽尺寸過短。雖然爐體標牌是15t/h的蒸汽爐,但 實際總體結構基本屬于10t/h的蒸汽爐結構,配備 15t/h的燃燒器,即燃燒室長度與燃燒機火焰長度 不匹配。按照15t/h的天然氣量運行,必然造成爐 體部件燒壞和安全事故,且浪費天然氣原料;10t/h 蒸汽爐勉強可以在安全情況下運行,但仍存在安全 隱患。
3 綜合分析
煙管斷面的顯微組織是鐵素體、球化3級珠光 體和魏氏組織,顯微組織的變化說明煙管端頭溫度 發(fā)生了較大變化,使珠光體中的碳化物發(fā)生了球化 分解;魏氏組織的形成說明了煙管的端頭部位溫度 較高,約在1100℃以上,顯微組織發(fā)生相變。魏氏 組織可降低材料的韌性。
斷口周圍沒有任何塑性變形,斷口上有較厚的 氧化皮和二次裂紋,說明在高溫下產(chǎn)生脆性開裂。 煙管端頭形成的魏氏組織降低了材料的韌性,增加 了組織應力,可促進裂紋的形成與擴展。煙管端頭 在工作載荷和組織轉變等應力的作用下出現(xiàn)開裂。
熱力計算證明,該蒸汽爐爐膽長度過小(僅有4m 長)。按15t/h能力運行時,火焰直接燃燒到 回燃室等相關部位,回燃室溫度高達1400 ℃。煙 管端頭形成的魏氏組織證明了煙管端頭的溫度較 高,說明是煙管端頭發(fā)生了相變?；厝际夜馨鍥]有 絕熱保護,煙管沒有保護端頭,從而導致煙管端頭溫 度過高。
GB/T16508.4—2013《鍋殼鍋爐 第4部分:制 造、檢驗與驗收》和JB/T1619—2002 《鍋殼鍋爐本 體制造技術條件》規(guī)定:當煙溫大于600 ℃時,管子 超出其與管板連接焊縫的長度不應大于1.5 mm。 該爐的管子與管板連接焊縫的長度超過6mm?；? 焰直接燃燒管頭,使管頭溫度升高,管頭不僅承受組 織轉變帶來的組織應力,還有溫度變化的熱應力等 作用。
GB/T16508.3—2013《鍋殼鍋爐 第3部分:設 計與強度計算》規(guī)定:相鄰焊接管孔焊縫邊緣的凈間 距不宜小于6mm;管子與管板焊接時“孔橋應使相 鄰焊縫邊緣的凈距離不小于6mm”。該爐的管子 中心距為80mm,管橋為10 mm;焊腳寬度為4~ 5mm。相鄰 焊 接 管 孔 焊 縫 邊 緣 的 凈 間 距 幾 乎 為 0mm。管頭焊縫存在較大的焊接殘余應力也是造 成管頭和焊縫部位開裂的另一個原因。
對失效機理、熱力計算與結構設計校核結果進 行綜合分析,可以得出蒸汽鍋爐結構不合理是該蒸 汽爐煙管開裂的原因。
4 結語
(1)煙管端頭在高溫環(huán)境的作用下產(chǎn)生高溫熱 疲勞開裂。
(2)回燃室的管板和煙管端頭等均沒有設置絕 熱保護,造成煙管端頭溫度過高。
(3)該蒸汽爐煙管開裂的主要原因是鍋爐結構 設計存在嚴重問題,爐膽長度尺寸過小,燃燒器與爐 膛實際結構不匹配,均造成回燃室溫度過高,火焰直 接燃燒管板和煙管端頭,使端頭位置的溫度過高。
(4)鍋爐煙管端頭伸出管板過長、管間距過小、 煙管端頭不整齊等加速了煙管端部開裂。
參考文獻:
[1] 工業(yè)鍋爐設計計算方法編委會.工業(yè)鍋爐設計計算方 法[M].北京:中國標準出版社,2005.
[2] 馮俊凱.鍋爐 原 理 及 計 算 [M].北 京:科 學 出 版 社, 2003.