燃气锅炉锅筒开裂泄漏失效原因分析与探讨

郑金航

摘要：对某加气砖厂一台WNS6-1.6-Y、Q燃气锅炉筒体开裂泄漏事故进行现场勘查，通过宏观检查、壁厚测定、磁粉检测、超声波检测、材料成分分析、硬度检测、金相组织分析等，总结出筒体开裂泄漏的原因。结果表明开裂泄漏出的锅炉筒体在制造时存在未坡口焊接、咬边等缺陷，焊后存在焊接残余应力和运行时的交变应力、剪切应力等，最终在多种应力作用下发生筒体开裂，导致泄漏事故发生。为了杜绝该类事故的发生，文中对锅炉提出整改措施和建议。

关键词：燃气锅炉；锅炉筒体；筒体开裂；失效分析

Analysis and Discussion on Failure Causes of Cracking and Leakage of Gas-fired Boiler Drum

ZHENG  Jinhang

（Fujian Boiler and Pressure Vessel Institute， Fuzhou 350008， Fujian， China）

Abstract： A field investigation was carried out on the cracking and leakage accident of a WNS6-1.6-Yand Q gas-fired boiler barrel in a aerated brick factory. Through macro inspection， wall thickness measurement， magnetic particle testing， ultrasonic testing， material composition analysis， hardness testing and metallographic structure analysis， etc， the causes of cylinder cracking and leakage were summarized. The results show that the cracked and leaked boiler shell had defects such as no groove welding and undercut during manufacturing. After welding， there were welding residual stress， alternating stress and shear stress during operation， etc. Finally， under the action of various stresses， the cylinder cracks，which results in leakage accidents. In order to prevent the occurrence of such accidents， rectification measures and suggestions are put forward for the boiler.

Key Words：  Gas-fired boiler; The boiler barrel; Crack; Failure analysis

0 引言

隨着人们环保管理意识不断加强和环境治理改造力度不断加大，传统的热效率低、污染严重的燃煤锅炉已经逐渐被燃气锅炉所替代。燃气锅炉不需要配置吹灰器、除尘器、出渣设备和燃料烘干器等附属设备，可以大大降低锅炉的投资成本。在供给燃烧前也无需燃料加工制备设备，使系统大为简化。数据调查显示采用天然气，能达到减排95%以上，而供热效率也能提高35%以上，这就是燃气锅炉被大量企业所接受的原因。但燃气锅炉作为新型环保型锅炉的技术指标不够完善，通常因结构原因和制造原因经常发生开裂泄漏等事故，因此针对锅筒开裂泄漏事故进行讨论具有一定意义。

通过对该锅炉锅筒开裂泄漏事故，福建省锅炉压力容器检验研究院组织相关检验员对该锅炉进行安全性能技术鉴定，结合锅炉的结构采用宏观检查、壁厚测定、磁粉检测、超声波检，材料成分分析、硬度检测、金相组织分析等手段进行原因分析，提出开裂泄漏的主要原因并进行探讨，为杜绝该类事故的发生并提出相关的改进措施和建议。

1 基本情况及事故过程描述

该燃气锅炉的型号为WNS6-1.6-Y、Q型结构为湿背式卧式内燃蒸汽锅炉（见图1），额定蒸发量为6t/h，额定工作压力为1.6MPa，额定蒸汽温度为204℃，适用燃料为天然气和轻柴油，设计热效率≥100.5%，锅筒材质为Q345R，锅筒规格为φ2108×12mm。制造日期为：2017年5月，投用日期为：2017年8月。锅炉在用蒸汽设备为6台蒸压釜，蒸压釜运行压力为0.5MPa，蒸压釜每天运行两班，每班6个小时，每接近半个小时锅炉要对蒸压釜进行一次送蒸汽加压保温，锅炉送蒸汽时压力为1.4MPa，送蒸汽后压力降至0.5MPa，满足生产需要频繁对锅炉升压降压。

2021年12月，锅炉在运行期间司炉人员发现锅炉的筒体后部右上方外保温铁皮有大量的高压高温蒸汽喷出，此时压力表显示1.4MPa，司炉人员采取紧急停炉措施并向上级汇报情况。该公司启动锅炉事故应急预案，并全面检查，寻找蒸汽泄漏位置和原因。锅炉停炉冷却后该公司与福建省锅炉压力容器检验研究院联系，汇报锅炉蒸汽泄漏情况，邀请相关锅炉检验人员进行锅炉安全性能技术鉴定。

锅炉鉴定的结果描述如下：

1）磁粉检测结果发现锅炉筒体与斜拉杆焊接的角焊缝处存在5处的裂纹（前部斜拉杆3处，后部斜拉杆2处），发现其中一处贯穿性裂纹，长度有60mm；

2）锅炉筒体和斜拉杆焊接时斜拉杆未按设计图纸（见图2）要求坡口焊接，焊接后存在咬边情况，角焊缝外观未按设计图纸要求圆弧过渡；

3）锅筒、管板、炉胆、回燃室、烟管有0.5～1.0mm厚度的水垢，2019年、2020年水质化验存在锅水酚酞碱度、全碱度、电导率、磷酸根、溶解固形物项目不合格。

2 鉴定检验过程情况

2.1 宏观检查、资料审查

对燃气锅炉各部件和安全附件宏观检查，除锅炉筒体有明显穿透先开裂泄漏情况，其他受压元件未见异常。结合设计图纸与现场锅炉设备比对，未发现有改造现象。锅炉为全自动控制。查看锅炉运行记录，运行时间6～20h，运行时的压力在0.5～1.4MPa，压力波动比较大，升压降压次数较为频繁。查看产品质量证明书，筒体材料Q345R，厚度12mm；斜拉杆材料20（GB/T 699），直径50mm符合设计的要求。查看水质检验报告，存在锅水酚酞碱度、全碱度、电导率、磷酸根、溶解固形物项目不合格，未进行整改。

2.2壁厚测定

采用27MG超声波测厚仪对筒体每一个筒节壁厚测定，检测数量不少于10个点，每个筒节实测最小壁厚为11.7mm。对筒体开裂泄漏部位进行壁厚测定位置（见图3），结果见表1，筒体开裂的部位实测最小壁厚为11.7mm。锅炉产品质量证明书中受压元件强度计算汇总表中筒体设计最小需要厚度10.54mm，实测厚度满足设计的强度要求。

2.3 磁粉检测

采用LKXN-SX磁粉探伤仪（四脚）和LKGN-22016SX磁粉探伤仪（两脚）对筒体对接焊缝和斜拉杆与筒体焊接的所有角焊缝进行磁粉检测。筒体对接焊缝未发现裂纹等缺陷，在斜拉杆与筒体对接的角焊缝存在5处裂纹（见图4），其中一处贯穿性裂纹（见图5），长度60mm。

2.4 超声波检测

采用CTS-9008PLUS超声波探伤仪对筒体对接焊缝进行埋藏缺陷检测，选用5P10×10K2和5P10×10K3斜探头对对接焊缝检测，检测结果表明，对接焊缝未发现超标缺陷；选用5P14Z2.5直探头对筒体开裂区域进行检测，检测结果表明，开裂区域的筒体材料未发现分层和内部鼓包缺陷。

2.5 材料成分分析

采用X-MET8000手持式光谱分析仪对筒体每一块筒节进行材料成分分析，分析结果见表2，与锅炉提供的产品质量证明书中的筒体钢板化学成分无明显的差别，均符合GB 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》标准要求。光谱元素分析GB 713-2014标准值。

2.6 硬度检测

采用HT-2000A便携式硬度计对锅筒开裂泄漏区域进行硬度检测，检测的测点位置如图6所示，检测的测点取5次检测值的平均值作为硬度检测的测量值，将测量值按GB 1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》中的黑色金属硬度及强度换算表进行换算，得出开裂部位金属材料的抗拉强度值。GB 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》中Q345R厚度12mm的抗拉强度標准值为510～640MPa。开裂部位材料硬度检测和抗拉强度换算结果见表3，靠近焊缝处硬度值略高，均能满足抗拉强度值。

2.7 金相组织分析

采用PTI-5000型便携式现场金相检测仪对筒体开裂部位进行金相组织分析，开裂部位金相组织为：铁素体+珠光体（见图7），金相组织属正常状态，未发现材料晶界氧化和晶粒球化、粗化情况。裂纹清晰可见（见图8），扩展呈穿晶特征。

3 综合原因分析

以上检验检测手段可排除材料使用错误或材料自身缺陷引起的开裂，从裂纹的外形上看存在疲劳辉纹，具有疲劳失效损伤模式特征，其主要原因归纳如下：

1）斜拉杆与锅筒焊接时没有按设计图纸尺寸施焊，焊接后斜拉杆处角焊缝未圆滑过渡至锅筒筒体上（见图2）。角焊缝经过几道焊接，焊缝处未进行热处理硬度略高，变性能力差。角焊缝上存在轻微的咬边，咬边削弱了筒体强度，锅炉在运行期间，锅筒在水蒸汽压力作用下存在向外扩张的趋势，斜拉杆连接着锅筒与管板，使锅筒扩张后变形不协调，所以在角焊缝处形成了应力集中，在每次升压降压过程中，该部位的局部应力比设计应力大2～4倍，因此焊缝未圆滑过渡和咬边的区域范围内就自然形成裂纹扩展的核心部位。

2）从该锅炉运行的情况看，1台锅炉要供给6台蒸压釜用汽，蒸压釜体积大用气量多，平均每20～30分钟就要升压降压一次，锅炉一天正常服役时间13小时，大概一天就要升压降压26～39次，服役时间4年多，该锅炉升降压次数大约为55000次，蒸汽压力波动幅度较大，锅筒承受交变载荷，引起金属低周疲劳[1]。由交变载荷引起的应力具有反复性和波动性，在交变载荷应力的作用下，疲劳裂纹总是从高应力处形成和发展的，所以在这种运行工况条件下加速了裂纹的发展[2]。

3）锅炉的斜拉杆对管板起到拉撑作用，斜拉杆所连接的结构（见图9），如果锅炉运行压力高时，此时管板所承受的向外压力就越大，变形量越大，锅筒通过斜拉杆所承受的向下拉的应力就越大，这种情况下此处锅筒既要承受内压向外的薄膜应力，又要承受斜拉杆向下的拉应力，在角焊缝处自然形成剪切应力。由于角焊缝未圆滑过渡，所承受的应力负荷不均匀，因此剪切应力就明显增强。在锅炉频繁压力波动情况下剪切应力处开裂敏感性大幅提高。

综合上述分析，角焊缝存在未圆滑过渡和咬边，锅炉运行时造成此部位的应力高度集中，锅筒受到低周交变载荷应力和受压管板通过斜拉杆产生的剪切应力，这两种应力相互在此叠加极易产生疲劳裂纹。

4处理方案

角焊缝咬边应通过打磨方式消除，焊接尺寸未达到设计图纸要求的应进行补焊，补焊的焊接作业人员应当持有相应的焊接操作证书，根据焊接工艺评定编制焊接工艺文件后方可施焊。

对于非贯穿性的裂纹应打磨消除，打磨后进行磁粉检测，检测时还发现裂纹则继续打磨反复检测至裂纹清除。对于打磨较深的凹坑应采用堆焊修理，焊接后应当进行表面无损检测[3]。

对贯穿性的裂纹应采用挖补方式进行修理，挖补修理属于重大修理，修理施工单位应具有锅炉维修资质，并向当地监察机构告知，向检验机构申请修理监检[3]。补板建议使用同材质厚度16～20mm的钢板，将补板四周边缘削薄至原钢板厚度（见图10），其主要目的是有效抵抗锅炉运行后斜拉撑对筒体产生的剪切应力，避免锅炉运行后再次发生穿透性裂纹。

5整改措施

通过该锅炉的事故原因分析，提出两个整改措施建议：

1）从锅炉到用汽设备的整个系统上考虑，锅炉供汽压力波动幅度较大，承受较强的交变载荷，受到低周疲劳载荷破坏，因此可以在供汽系统上增加蒸汽蓄热器设备。蒸汽蓄热器有利于平衡供汽峰谷负荷的作用，使锅炉负荷稳定。

2）锅壳式内燃锅炉结构带有大量的拉撑件，给设计、工艺、备料、监检、安全带来诸多不利因素[4]。需要对内燃式锅炉结构进行更新，锅壳前后采用拱形管板（见图11），可取消大量的斜拉杆与直拉杆[4]。由于拱形管板在我国新型水火管锅壳锅炉上得到大量应用，因此内燃式锅炉使用拱形管板并不困难[5]。无拉杆的锅炉在运行时的应力状态有很大的改善，同时锅炉总体刚性下降，筒体不存在多余应力，可有效防止筒体开裂，使锅炉的安全、可靠性明显提高。

6 结论

综合检验和分析的结果，锅炉筒体开裂泄漏的原因主要是斜拉杆与筒体焊接的角焊缝存在未圆滑过渡和咬边，运行角焊缝部位应力高度集中，受到低周交变载荷应力和剪切应力，在此叠加产生疲劳裂纹。对开裂泄漏的锅炉提出针对性的处理方案。对于锅炉供汽峰谷负荷较大的情况建议增加蒸汽蓄热器设备，使锅炉负荷稳定。采用拱形管板代替传统的平管板，取消斜拉杆对锅炉带来的不利影响。确保燃气锅炉能够安全、可靠的使用。

参考文献

[1]方立．因交变应力造成锅炉汽包泄漏[J]．中国特种设备安全，1999，15（05）：59-60.

[2]张文杰．典型的卧式快装锅炉后管板裂纹事故[J]．工业锅炉，2004，（05）：57-58.

[3]锅炉安全技术规程：TSG 11-2020[S].

[4]李之光，徐甫，梁耀東，张仲敏，刘峰，廖志武．锅壳式内燃锅炉结构革新与可行性分析[J]．工业锅炉，2021，（03）：31-34.

[5]李之光，梁耀东，刘峰，张仲敏，何立娅，徐甫．高效低应力卧式内燃锅炉结构与性能[J]．工业锅炉，2015，（06）：16-20.