浅析热水锅炉管端裂纹的产生原因及预防的有效措施

贾春亮

在锅壳式燃油燃气热水锅炉的内部检验中，发现烟管的高温烟气入口管端产生裂纹，导致烟管泄漏是这种炉型最常见的失效形式。本文结合锅炉运行工况试图对烟管管端产生裂纹的原因进行分析，并提出一些防范管端产生裂纹的有效措施。

一、 管理裂纹的形态和缺陷部位的金相组织

通过对泄漏锅炉烟管管端裂纹渗透检测，发现常见的管端裂纹形态有：轴向裂纹、径向裂纹、周向裂纹和混合型裂纹。烟管内壁的轴向裂纹长短不一，较短的轴向裂纹距离管端约有几毫米，较长的轴向裂纹已裂至角焊缝表面，形成几毫米长度不等的放射状裂纹； 周向裂纹一般是沿角焊缝根部的未熔合区开裂的；混合型裂纹是上述三种裂纹形态的组合，一般是在形成周向裂纹后，再出现轴向和径向裂纹，可以说是周向裂纹的进一步发展。管孔周围一般没有裂纹，少数情况管孔周围能发现放射状裂纹，管孔周围的放射状裂纹有的在管端径向裂纹的延伸方向上。

二、烟管管端裂纹产生的原因

烟管裂纹一般是从距管端一定距离的烟管外壁发展而成的，这与管端因冷却不好过热而引起的裂纹不同，同时烟管还有周向裂纹，说明裂纹源不可能在管口端面。引起裂纹的机理非常复杂，结合锅炉运行工况分析，裂纹的产生主要受到以上几种因素的影响。

1.管端角焊缝部位热应力大

燃油燃气锅炉的燃烧强度大，烟气进入回燃室的温度一般在900℃左右，回燃室管板温度相对较低，所以管板要吸收来自高温烟气的辐射热。同时，烟气以一定速度进入烟管后，以对流传热的方式将热量传给烟管。就整个管板而言，其接受的热辐射是比较均匀的，但管孔周围的管板，除了接受辐射热，还接受烟管吸收的对流换热量，这部分热量是通过烟管和管板的连接部位传给管板的，在管孔处管板接受的热量是辐射和对流两部分热量的叠加。在管子入口处，由于烟气流动受到很大扰动，几乎不存在热边界层，其局部放热系数远远大于烟气在管内达到稳定流动后的放热系数，这就是所谓的“入口效应”。“入口效应”使烟管和管板受热产生很大的不均匀性，管端烟气入口处热负荷最大，会因为受热膨胀不均，在角焊缝连接部位产生很大的热应力。

2.烟管与管板角焊缝应力集中

在制造或修理过程中，因管孔未开坡口，或技术规范中明确要求的焊前预胀消除间隙的工序被忽略，或焊工作业人员未完全遵照焊接工艺施焊，则焊后焊缝根部可能有未焊透、未熔合等缺陷，减少焊缝的有效承载面积，造成局部应力集中，而且存在很大的焊接残余应力。

三、预防管端裂纹产生的有效措施

通过以上对烟管管端裂纹产生原因的分析，可以采取以下有效措施预防管端裂纹的产生。

1.烟管与管板装配连接工艺的改进。在制造或修理时，焊接前有预胀要求时，应在工艺规范中明确规定，预胀的胀管率不小于1%，保证烟管与管孔壁完全贴合。无论是制造厂生产，还是现场修理，烟管与管板焊接时，都应该严格执行已制定的工艺规范，焊接前一定要预先烘干焊条，焊接时保证周边环境温度符合规范要求。

为减小“入口效应”的影响，可将烟管高温端入口适度扩大，再衬入耐热套管，如图1所示。为了减小管板所受的辐射热负荷，降低高温烟区管板和管孔角焊缝的壁温，还可以在回燃室管板外壁敷上适当厚度的隔热层。

2.加强锅炉的水质管理工作。使用单位应在锅炉房配备至少一名持证的专职水处理化验人员，并做好水质的化验记录工作。严格执行GB/T1576《工业锅炉水质》标准的要求，保证锅水各项指标在规定范围内，使锅内能够达到良好的防腐阻垢效果。配置专人监管水处理工作，同时，还可以指导司炉操作人员科学的排污，既避免过度排污造成能源、资源的浪费，又避免排污不足造成锅内结垢。

额定功率大于等于7.0MW的承压热水锅炉，给水应进行除氧，其它锅炉给水应尽量除氧，对于没有给水除氧设备的热水锅炉系统，应考虑软水中使用亚硫酸钠作为除氧剂或添加有机除氧药剂。亚硫酸钠是白色或无色晶体，易溶于水，是较强的还原剂，能与水中溶解氧发生如下氧化还原反应：

2Na2So3+O2=2Na2SO4

每除去1g氧，约需8g无水亚硫酸钠，常温常压下，水中含氧量约为8.8mg/L，理论计算无水亞硫酸钠用量为69.3mg/L。在日常应用中应根据实际补水量来确定加药量，留有富余量10%～20%即可。

应对敞口使用的软化水箱，加装可以浮动的轻质材料盖板或薄膜与空气隔绝，在浮动盖板或薄膜上留出加药口（不用时封闭），或在给水管路系统中增设加药装置和加药泵，用以添加亚硫酸钠或其它有机除氧药剂。特别是系统补水量大，补水量多时更应如此改造，可使给水的含氧量保持较低的水平。

3.杜绝系统的跑、冒、滴、漏、控制补给水量。使用单位应当合理安排对系统的管道、阀门、法兰进行检修，对发现渗漏的部位进行修理或更换，及时采取措施解决系统的跑、、冒、滴、漏等问题。对热水锅炉，可以往锅水里添加栲胶或腐阻垢的效果，又能充当染料使系统水着色，减少用户的用水现象。控制补给水量可以减少锅炉房水、电用量，避免钠离子交换器频繁再生，减少因调节锅水品质而添加的药量，防止过量氧气和二氧化碳进入锅炉，减少补给水带入锅内的硬度物质，能够减缓锅炉的腐蚀、结垢速率，降低锅炉运行成本，延长锅炉使用寿命。

4.改进锅炉自动控制方式。推荐燃油燃气热水锅炉采用比例调节模式控制锅炉运行，避免锅炉频繁启停。这种控制方式大大减少了锅炉的启停次数，可以减缓交变应力对受压部件，尤其是烟管与管板角焊缝处的破坏作用，避免发生低周应力疲劳。同时，可以减少水垢脱落、堆积造成局部区域的水循环不良，降低闭塞区内腐蚀性热疲劳发生的可能性。但是，小火燃烧容易造成炉内积碳现象发生，因此，要做好燃烧器的风量配比调节工作，并在每年停炉检修期间做好积碳清理和停炉维护保养工作。

5.直接供热改为间接供热。对于具有经济条件的锅炉使用单位，如果锅炉房空间允许，可以考虑对供热系统进行改造，加装“水—水”换热器，把直接供热方式改造成间接供热方式，从而把锅炉与供热循环系统分离，形成独立的二次循环系统。