卧式快装锅炉管板裂纹事故分析及对策

潘林

（广西玉林市特种设备监督检验所，广西 玉林 537000）

卧式快装锅炉具有结构紧凑、占地面积小、整装出厂、运输安装方便、蒸汽产生快、负荷调节灵活、炉墙密封性好、保温效果极佳、热效率高等集于一身的众多优点，性价比高，深受用户欢迎，广泛应用于中小企业生产中，在我国工业锅炉产品中占有量最大。随着技术的不断更新，炉型在设计、制造工艺上有所提高。但由于结构所限，存在着一些较为显现的缺陷，表现为锅内氧腐蚀、锅筒底部鼓包和锅炉管板裂纹等问题。最近笔者在检验工作中，即发现一台DZG型快装锅炉管板已产生裂纹，裂纹处于高温烟气入口处管端及管孔区，并向两边孔桥延伸，产生管板开裂事故隐患，现对此进行理论分析，提出预防对策和改进措施。

1 裂纹产生的原因分析

1.1 裂纹的性质

某泡沫包装箱厂的一台卧式快装锅炉，型号为DZG2-1. 25-M·A。查阅该锅炉出厂资料知，管板材质为20 g，烟管为20＃，规格为Φ63.5 mm×3.5 mm，连接方式为焊接，锅水循环方式为自然循环。锅炉负荷较大，无锅外水处理设备，采用向锅内加药方式进行水处理。自2001年运行至今，经内部检验发现：

（l）锅筒内部结垢严重，水垢厚度1～3 mm，为碳酸盐水垢；

（2）前后烟管端部伸出管板长10 mm；

（3）检查发现高温入口处，有13条烟管管端有数量不等的呈辐射状由管端向孔桥延伸的裂纹，其中最长处为25 mm，宽0.5 mm，有延伸趋势。

为确定裂纹性质，将管子取出并把管孔区打磨平整进行显微金相分析。最长裂纹发生处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。

1.2 苛性脆化

1.2.1 裂纹由苛性脆化引起

根据裂纹形貌和显微金相分析结果，判断裂纹由苛性脆化引起：

（1）锅水一定含有较高浓度的游离碱，与锅水接触的钢材中存在接近于其屈服点的拉伸应力，便会产生晶间裂纹。

（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，必须有局部集中应力。

1.2.2 炉具具备苛性脆化条件

从运行情况和制造工艺分析，该炉具备苛性脆化条件：

（1）煮炉除垢时加药量严重超标，炉水碱度极高，在高碱度下运行时间过长，形成苛性脆化环境，使炉水中氢氧化钠浓度在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，高温烟气冲刷管板后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其屈服点的拉伸应力，形成苛性脆化的第三个条件。

1.3 管板高温区热负荷较高

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，该处由于水流速较低，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）管板近管区域水循环不良，导致近管处产生“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，在锅炉运行时，间隙中的炉水受热蒸发形成2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，锅炉频繁起停，使管板与管子角焊缝局部产生裂纹。

（4）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，管板管区水侧结垢，导致管板过热产生裂纹。

1.4 局部材料机械性能下降

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20 g管板进行化学成分和金相分析发现：管板化学成分符合20 g钢板国家标准要求。因此，管板一旦出现裂纹，局部机械性能下降。

1.5 炉型结构的问题

产生裂纹是由炉型结构所致。很明显，此种型式锅炉锅筒内壁流速最低，据有关热力计算推荐值为低于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。

2 管板裂纹的一般处理方法

（1）如果管板裂纹不是很严重，直接在裂纹处补焊，将裂纹修复即可；如本台锅炉，经磁粉检测确定产生裂纹的管区范围后，取下烟管，将管孔及孔桥打磨光洁，再进行磁粉检测，确定裂纹位置，同时用角磨机打磨，按照检测打磨再检测的步骤重复操作，直至裂纹消除。下一步就是补焊，由熟练焊工担当，焊后外观检查合格后进行磁粉检测，未发现裂纹，最后组装烟管。先胀后焊，焊后再进行一次磁粉检测及水压试验均合格。运行一段时间后重新检验，未发现异常情况，取得了较好的经济效益。

（2）如果管板裂纹较严重，可直接换管板。

3 预防与对策

3.1 制造厂家应严格执行锅炉制造技术条件及相关要求

对定型生产该炉型的制造厂家，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Φ（64.5 ±0.74）mm，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、蒸发形成高浓度的苛性钠（NaOH）溶液。

（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1.5 mm，如Φ 63.5 mm的管子，管子伸出管孔端长度6.5 mm，防止管子伸出管孔端过长，产生裂纹并延伸至管板孔桥。

3.2 对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1～2组对流管束，对流管直径应大于Φ38 mm，降低烟气入口处的烟气温度，通过热力计算，降到700～750℃。

（2）改进给水装置，改变进水方向及加强排污，强化锅筒管板区锅水的扰动，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，使管板壁温不至于过高。

（3）在锅筒内壁4根Φ133 mm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。

3.3 加强运行管理及维护保养

锅炉水质处理一定要按《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。

4 结束语

通过以上分析探讨，锅炉管板裂纹产生的主要原因，可以归结为：管板结垢；过冷沸腾；苛性脆化；水循环不良。避免管板产生裂纹方法有：烟管采取先胀后焊的方式，减少管板与烟管之间的缝隙，减少过冷沸腾；加强锅炉的保养工作，减少锅炉结垢，减少管板结垢因受热不均产生的热应力；改善锅炉水循环，减少传热死角；合理配置水处理溶剂，减少因NaOH过量带来的苛性脆化。这些经验的总结，对所有锅炉的安全运行，具有普遍的参考价值。

[1]劳部发[1996]276号，蒸汽锅炉安全技术监察规程[S].

[2]国家质量技术监督局锅炉压力容器监察局，锅炉定期检验规则[S]. 1999.

[3]中华人民共和国国务院第549号，特种设安全技术监察条例[S]. 2009.

[4]JB/T4730-2005，承压设备无损检测[S].

[5]GB/T13298-1991，金属显微组织检验方法[S].