WNS锅炉回燃室管孔区开裂泄漏的事故分析

王晓峰 洪万亿

（福建省锅炉压力容器检验研究院泉州分院 泉州 362000）

随着西气东输工程的推进以及LNG（液化天然气）船舶运输的迅速发展，泉州地区内城镇燃气管道已普及，以天然气为燃料的WNS卧式内燃蒸汽锅炉的数量迅猛增长。本文对一起WNS锅炉的回燃室管板管孔区出现大量裂纹并开裂、泄漏的案例进行调查和分析，找出事故的原因。促进该类型锅炉的安全生产。

1 事故概况

1.1 检验概况

事故锅炉的型号为WNS10-1.25-Y.Q，属于典型的三回程卧式内燃锅壳锅炉，使用燃料为天然气。火焰于炉胆内燃烧，烟气由炉胆流至回燃室再到第二回程烟管，在前烟室折返至第三回程烟管，再进入锅炉后部烟道，经烟囱进入大气。该锅炉于2013年出厂，2014年5月投入使用。连续使用3年后，在内部检验时发现回燃室管板管孔区域普遍存在向外辐射状裂纹427条，几乎每个管孔都有裂纹存在，见图1、图2、图3。部分裂纹已裂穿，并伴有锅水漏出，见图2。回燃室火侧底部堆积大量结晶颗粒并有积水聚集。锅炉本体水侧水位线以下普遍结有水垢，平均厚度约1.0mm。该锅炉烟管与管板焊接工艺为预胀消除间隙后进行手工电弧焊焊接。检查回燃室水侧，未见烟管与管板有明显间隙。各受压元部件未见明显变形，未见其他缺陷。该锅炉缺陷部位烟管采用φ70mm×3.5mm螺纹钢管，牌号为20（GB/T 8163）。管板材料为Q245R（GB 713），焊材为E4315（E5015）。经取样进行化学分析，焊缝和母材成分符合相应标准要求。锅炉本体上的安全阀、压力表型号及数量符合设计要求，且均可正常工作并在检定有效期内。按TSG G7002—2015《锅炉定期检验规则》要求，本次内部检验结论为“不符合要求”[1]，并立即向特种设备安全监督管理部门上报。截至收稿时使用单位已拆除有缺陷的锅炉并办理完成特种设备使用登记变更（注销）手续。

图1 管孔区普遍存在裂纹

图2 回燃室管板泄漏区

图3 右侧管板上裂纹

1.2 缺陷分析

该锅炉的主要缺陷为承压部件存在裂纹和泄漏。图3中裂纹位于右侧，为最长裂纹，长度超过30 mm、已贯穿管板孔桥。烟管内部表面裂纹最长为23.3mm。泄漏主要集中在炉胆烟气出口的左右两侧和上部的管孔区，共三个区域，见图2。由图2中左右两侧回燃室筒体上冲击痕迹，可判断出锅水垂直烟管轴向延管板表面向外喷射，形成冲击痕迹的泄漏点位于烟管与管板焊接接头，图4为左侧管板较为明显的一处泄漏点。由白色锅水结晶物形态可判断出锅水一部分由烟管管壁外侧焊接接头的裂口向外喷射，另一部分穿过烟管管壁裂纹，缓慢向管内渗漏。

图4 左侧泄漏点

1.3 潜在隐患

该型号锅炉的回燃室管板为烟气流程上游部分，工作温度仅低于炉胆，工作环境恶劣。管板表面普遍存在向外辐射状裂纹，呈蛛网状，部分裂纹已贯穿管板孔桥表面。裂纹尖端处存在应力集中，如该锅炉继续运行，在较小垂直应力作用下可导致各裂纹迅速扩展。锅水从裂口渗出可冷却裂口附近金属，随后被炽热的烟气及炙热金属蒸发，锅水蒸发吸收热量，同样起到冷却金属作用。金属表面的热胀冷缩产生各种交变应力，加速裂纹扩展。如未及时发现裂纹及泄漏缺陷，裂纹扩展形成网格，导致管板强度严重削弱，可引发锅炉爆炸事故。

2 原因分析

2.1 裂纹起点

各较长裂纹位于管板、烟管和两者相连的焊缝上，开裂方向垂直于焊接接头，呈放射状分布于管孔周向上。最小可分辨的裂纹仅有0.5mm长，大多位于烟管管端，而有的裂纹长达几十毫米。各裂纹数量众多、位置和形态相似，仅长度和深度不尽相同。因此，可推断大多数裂纹的成因相同，只是处于生成、发展和开裂的不同阶段。每条大裂纹都是由小裂纹发展而来。经过现场检测和统计，长度小于3.5mm（烟管壁厚）的裂纹共有177条，均位于烟管管端，见图1、图5。而其他较长裂纹都有连通到烟管管端上。如这些裂纹形成和扩展的原因不消除，小裂纹可发展成大裂纹。则可推断出烟管管端小裂纹为多数开裂缺陷的始发状态，烟管管端即为多数裂纹的起点。

图5 新生小裂纹

2.2 裂纹成因

●2.2.1 火焰直接加热管孔区

该使用单位共有2台在用蒸汽锅炉，一台10t和一台6t。该厂日常用汽量并不均衡，每日有几个用汽高峰时段，其它时间则用汽较少。一段时间内6t锅炉因故障停用，仅10t锅炉投入使用。用汽高峰时需用蒸汽量远超10t/h，蒸汽供不应求。该锅炉水位急剧下降，导致水位报警联锁系统动作、自动停炉，无法满足供汽要求。司炉人员关闭水位报警联锁系统，手动控制。采用预判手动加水的方法保证锅炉水位。使用单位私自调节多级调压阀，提升燃烧机头的燃气输入压力，增加热量输入，目的是提升该锅炉蒸发量。

查询该锅炉主蒸汽管道流量计记录，该锅炉最大蒸发量超过12t/h。增加燃气输入量和喷射压力，引起炉内火焰长度增加，本应在炉胆内燃烧的火焰延长至回燃室，火焰直接灼烧回燃室管板、烟管和连接它们的焊接接头。火焰温度超过1000℃，可使管孔区表面温度超过设计值。高温烟气与火焰剧烈冲刷烟管管端，管头的边缘效应增强，烟管管端温度局部升高，强度降低。文献[2]中建立了锅炉烟管、管板及焊缝的2D模型并利用ANSYS软件进行有限元分析，得出了图6中温度分布云图。该模型与本案例中管板结构相同。本案管孔区与图6中温度场分布相似，管端温度最高。尤其是烟管管端内侧边缘，距离锅水最远、烟气冲刷也最剧烈、温度最高、强度降低且应力最大，本文中裂纹起点大多在这个位置上，见图5。图6展示出管孔的轴向剖面结构，烟管管端内外边缘处截面为直角，直角尖端几何面积小、强度低，在同样的应力下较管内部位容易破坏。烟管管端金属受热膨胀，被焊接接头和管板的约束，受到压应力。燃烧机停止工作时，灼热的烟管管端温度降低，向内收缩，同样受到管板拘束，受到拉应力。拉应力垂直作用于烟管管端薄弱处，可产生如图1、图5的细小裂纹。

用汽高峰期因锅炉产生的蒸汽供不应求，锅炉出口压力一直保持在较低水平（0.4～0.5MPa），回燃室管板平均温度在159℃以下。该厂用汽量低的时候，司炉操作人员开启水位自动联锁保护装置。因调节各调压阀参数相对比较专业和麻烦，各调压阀并未被调回原参数。燃烧机头工作时喷射火焰仍可直接灼烧回燃室中的烟管管端。与高峰期不同，蒸汽供大于求，此时锅筒内蒸汽压力上升至1.1MPa（超压联锁启动的压力）则自动停炉，锅筒蒸汽压力基本在1.0至1.1MPa至间波动。此时回燃室管板平均温度提升到184℃以上。该锅炉在高低负荷两种工况间不断切换，回燃室管板平均温度周期性变化，不断膨胀和收缩。回燃室管板对其中的烟管、管板孔桥及二者的焊接接头产生相应的挤压和拉伸，这种交变应力成为管孔区裂纹产生和扩展的必要条件。

图6 温度分布云图[2]

●2.2.2 水循环不畅

该锅炉为卧式内燃锅炉，锅炉水循环回路不高，自然循环流动的“动压头”较小[3]。图2中，“管板上部”泄漏区刚好位于炉胆上部密集烟管中心、靠近炉胆的位置，此处水循环速度慢。泄漏位置锅水受烟管、炉胆和管板加热，迅速汽化。同时周围的烟管、炉胆和管板也在蒸发附近锅水，可起到阻挡作用，锅水难以及时补充。而图2中两侧的泄漏区相互对称，烟管布置在炉胆外侧；与“管板上部”泄漏区一样受到上、下侧高温烟管、外侧的低温区烟管及内侧炉胆的影响，水循环不畅。锅炉超负荷运行，锅水蒸发特别剧烈。在这三处水循环不畅位置的受热面金属温度最高、应力大，也是泄漏最严重的部位。

●2.2.3 水垢堆积

该锅炉本体水侧水位线以下普遍结有水垢，厚0.5～1.5mm不等。第二回程烟管和炉胆靠近回燃室及回燃室水侧结垢较厚，见图7。水垢的传热系数远小于受热面金属，水垢在一定程度上阻碍受热面金属的冷却。烟管和回燃室部分片状水垢已脱落。水垢聚集于烟管和管板间空隙，可进一步恶化水循环，导致受热面金属冷却不良。

图7 水侧水垢

●2.2.4 部分烟管管端长度超标

GB/T 16508—2013《锅壳锅炉》10.5.8规定“当用于烟温大于600℃的部位时，管端超出焊缝的长度不应大于1.5mm”。该锅炉回燃室烟气温度超过600℃，符合该条规定。而现场检查发现，该锅炉烟管与管板焊脚高度不均匀，多处烟管伸出长度超标，其中管端超出焊缝的最大长度为4.5mm。管端伸出长度过大使管端金属无法有效冷却，可导致各种缺陷。

以上原因导致管端温度升高、强度降低。烟管管端受到交变载荷作用，管端薄弱位置在拉应力作用下产生细小裂纹，小裂纹在交变应力作用下不断扩展。裂纹长度和深度不断增加，直至贯穿管板与烟管的焊接接头，烟管部分裂穿。

3 结论及建议

综上所述，引起本次泄漏事故的原因有：火焰直接接触管孔区、锅炉水循环不畅、水侧结垢和烟管管端伸出长度超标等。这些原因有的比较特殊，有的带有普遍性，各种原因共同作用造成本次事故。笔者认为造成本次事故的主要原因[4]为使用单位周期性超负荷运行锅炉，私自调高燃烧机头入口的天然气压力，导致火焰直接接触回燃室管孔区。次要原因[4]是锅炉水循环不畅、水侧结垢和烟管管端伸出长度超标等。使用单位特种设备安全管理人员和司炉操作人员技术水平不足且安全意识淡薄，私自调节天然气输入压力，故意超负荷运行锅炉，致使炉内火焰延长并接触到回燃室管孔区。这种人的不安全行为是本次事故的直接原因[4]。同制造厂的该类型锅炉有10台以上在某地区长期运行，仅此一台出现泄漏事故，事故锅炉的使用单位有着不可推卸的责任。

各燃气锅炉使用单位和安装单位应当严格按照锅炉设计参数调节锅炉内火焰。对于设计要求火焰在炉胆内燃烧的，应保证火焰长度不得超出炉胆范围。锅炉使用单位不应长时间或是过量超负荷运行锅炉。以加强燃烧的方式提升锅炉蒸发量，不但会加快锅炉损耗、影响其寿命，还会带来安全隐患。使用单位应当提升锅炉水质管理、加强水质监测，及时清除受热面上及锅内堆积的水垢。

锅炉制造单位应当采取相应措施，改进该类型锅炉的水循环。加强锅炉制造过程中质量管理，提升烟管与管板角焊缝的焊接质量。加强锅炉出厂前外观检查，防止烟管管端伸出长度超标。