首云矿业原有三个锅炉房, 每个锅炉房有两台2.8MW热水锅炉, 各供暖点采用分散供暖的方式, 锅炉前烟箱管板从未发生裂纹现象。2006年为节能降耗、注重环保、集中管理的需要, 取消三个锅炉房, 建成一个集中供暖的锅炉房。2010年3月初两台7MW的热水锅炉相继发生前烟箱管板漏水现象, 另一台10t蒸汽锅炉前烟箱管板正常。热水锅炉前烟箱管板漏水是制造原因还是运行操作、管理等方面的原因。本文通过对新型锅壳式热水锅炉前管板裂纹、烟管管端裂纹漏水问题的分析, 阐述了产生裂纹的原因, 以便今后加强管理, 杜绝此类事故的发生。
1 案例如下
2010年3月初, 我单位两台DZL7-1.0-AII锅壳式热水锅炉相继出现前烟箱管板漏水现象, 一台锅炉在运行中发现前烟箱门缝隙漏水, 加煤斗炉排下滴水。司炉工报告后, 锅炉立即降负荷, 停炉。维修人员打开前烟箱门, 发现管板处向外喷水, 部分烟管管端裂纹漏水。初步判断为锅炉前烟箱管板裂纹为疲劳过热造成。另一台热水锅炉在停暖后, 锅炉前烟箱清扫除灰, 发现前管板有渗水现象。两台锅炉已运行4年, 使用一直正常。
2 案例情况调查
两台DZL7-1.0-AII锅壳式热水锅炉相继出现前烟箱管板漏水后, 报当地技术监督局锅炉检验所, 锅炉检验所检验, 整个锅筒有不足1mm的水垢, 前管板中间高温区自上往下数第2排, 自左往右数第8根烟管孔桥上有一条穿透性裂纹, 向下第3、4、5、6、7、8排均有不规则的管桥裂纹, 均从烟管管端角焊缝开裂, 已延伸至管板母材。裂纹尖端圆钝, 没有分叉, 从裂纹的形貌和特征可判定该裂纹属拉裂裂纹。检查锅炉质量证明书, 水力计算等资料, 符合要求。检查运行记录、水质化验等, 锅炉为生活用采暖锅炉, 回水温度控制在40°~55°, 运行时间每天约为20小时。运行工况下最高工作压力为0.40MPa, 水处理采用炉外化学处理 (钠离子交换器) , 经取样化验, 软化水硬度0.05mmol/l, p H值为7锅水碱度5.06mmol/l, p H值为9。锅炉前管板板厚16mm, 材质20g, 烟管规格为φ70×3, 材质20#无缝钢管。检查未发现出问题。
3 造成前烟箱管板裂纹的几种原因
(1) 前烟箱管板材质问题, 过热脆化, 疲劳裂纹。
(2) 锅炉缺水、锅炉跑火等, 烟气短路前烟箱管板长期高温过热。
(3) 锅炉制造问题, 管孔与烟管间存在较大间隙, 未焊透。
(4) 锅炉水循环不好, 管板高温区结垢。
(5) 结垢严重, 传热恶化, 使前管板高温区超温过热, 应力裂纹。
面对以上原因, 究竟是哪一种原因造成的管板裂纹, 很难判断准确。采用排除法, 从第一条开始排除。
4 原因分析
首先割下裂纹处的一块管板, 做金相组织分析, 分析结果, 管板和管子符合3087的要求。硬度测定经-80型硬度仪进行硬度测定, 后管板裂纹附近钢板平均硬度值为145, 正常区域管板平均硬度值为163, 裂纹区管板硬度值有下降, 但尚属正常范围。这也说明后管板高温区由于长期过热, 机械性能已有所下降。金相组织分析结果, 原前烟箱管板、钢管材质合格。
查运行记录, 锅炉无缺水记录。每次锅炉压力降到0.2MPa, 司炉工立即开启紧急补水, 维修工立即查找原因, 如果锅炉不能运行, 司炉工立即停炉, 锅炉缺水的原因排除了。3#锅炉曾发生跑火, 烟气短路现象, 但是发生时间很短, 发现后, 立即对炉墙跑火点进行了封堵。对比2#锅炉, 2#锅炉使用率比3#锅炉还小, 未发生跑火现象, 但是2#锅炉前烟箱管板也发生了裂纹。说明两台锅炉未发生锅炉缺水现象, 3#锅炉跑火也不是造成前烟箱管板裂纹的主要原因。
检查前管板管孔的疲劳裂纹可以看出, 烟管外壁与管孔壁间存在一定的间隙。按照图纸中的装配间隙要求是0.5mm~0.85mm, 锅炉制造时焊接前应先进行胀接, 而实际情况是该锅炉烟管未进行预胀, 管孔与烟管间存在较大间隙。检查烟管与管板的焊角高度, 发现焊接质量局部不符合要求焊角偏低, 有微小的咬边现象。
从锅炉结构上分析, 锅炉由于采用翼型烟道布置, 烟道变为单回程, 从翼型烟道流出的高温烟气进入前烟箱, 使前管板成为高温区。该处的烟气虽然经过炉腔冷壁管及翼型烟道中的对流管束, 但烟温仍然在500℃~650℃之间。但、由于“入口效应”的影响, 管孔周围的管板和烟管端部接受的热量是辐射和对流两部分的叠加。可见, 管孔处管板的实际热负荷是整个管板热负荷最大之处。检验中发现前管板和烟管前部较多的残存水垢正好在烟管和管板的交界周围, 也证明了管孔壁处的热负荷最高。锅炉运行时, 锅水渗入间隙中形成环形水膜。从前面的分析情况可知, 前管板管孔处所受的热负荷最高, 环形水膜被加热产生汽泡, 由于汽泡不可能自由地游离出间隙, 因而水膜逐渐变成汽膜, 致使管孑L壁和管端传热恶化加剧。汽膜喷出间隙, 锅水再一次渗入形成水膜, 周而复始, 由此产生的温度交变应力作用于管板与烟管的连接焊缝, 首先在焊缝处出现裂纹、烟管端裂纹。如果锅炉水循环不好, 管板处的热量不能及时被水带走, 管板就容易产生高温疲劳裂纹。
割下前管板后发现该锅炉的管板高温区烟管束间隙内结满了坚硬的二次水垢.局部厚达20mm, 水垢由内向外为灰色然后为白色说明烟管束间夹杂了大量的铁锈及淤泥, 外面才是碳酸盐水垢、硫酸盐混合垢, 这些污泥及水垢才是管板裂纹的真正罪魁祸首。管板内侧结垢严重, 引起传热恶化, 管板温度进一步上升, 使前管板承受了很大的温差应力, 锅筒与烟管间也存在着较大的温度差, 据测算, 锅壳下部平均壁温较高而烟管的平均壁温较低, 两者之间温差较大, 加上锅炉结垢严重, 锅筒底部又有大量脱落垢片堆积, 使锅简与烟管之间的温差更大, 两者线性膨胀量也相差很大。由于烟管与管板采用焊接连接, 刚性大, 烟管与锅筒的线性膨胀差会在管板上产生很大的拘束应力。由于烟管与管板采用单面角焊 (未开坡口) , 属于未焊透连接, 锅炉运行时在角焊缝支点处构成了很高的应力集中。泥垢形成的主要原因为室外管线年久失修, 近三年内采暖季节管路经常损坏, 维修管道, 导致大量的淤泥进入管道内部, 夏季管路改造, 锅炉内部水全部放净, 淤泥逐年在前管板结成硬质水垢, 并且每次管路损坏, 都会加入大量未处理的新水, 造成水质不合格, 形成水垢。
5 修复及改进措施
管板裂纹的原因找到后, 对管板进行更换修复。
(1) 用化学清洗方法清洗锅炉, 彻底去除水垢。锅炉清洗除垢后, 从锅炉厂家购买合格的管板和烟管, 对前管板进行修磨, 对接边缘厚度要求与锅筒厚度相同, 削坡坡长20mm, 短边倾斜度<4mm, 管板与锅筒环向焊缝对接偏差不应大于版后的10%, 将前管板高温区的烟管普遍采用先预胀后焊接的方法的方法消除间隙, 烟管与管板焊角高度为3.5mm, 并经100%射线探伤检测合格, 更换全部烟管, 水压试验合格。
(2) 彻底清除残余水垢, 运行中加强水质管理。定期检查钠离子交换器, 使水质符合GB1576-2008《工业锅炉水质》标准的要求。
(3) 停炉后定期清除锅炉内的铁锈、污泥、水垢, 定期煮炉, 停炉后做好锅炉内部的保养工作。
(4) 搞好锅炉的运行管理, 锅炉运行时要控制过量空气系数, 尽量降低前烟箱处的烟气流速, 减小管孔处管板的局部热负荷量。采取合理的锅炉运行方式, 避免锅炉频繁启停和压力频繁波动。
(5) 加强人员管理, 定期对水质化验员、司炉工定期培训, 定期抽查。停炉后, 做好锅炉的维护保养工作, 发现的薄弱环节彻底修理, 保证锅炉运行中不出现人为因素, 使锅炉平稳运行。
摘要：通过对本公司锅壳式热水锅炉管板与烟管管端裂纹漏水事故案例的调查, 分析了产生裂纹漏水的原因, 提出了锅炉在运行、管理维修等环节有效地加以改进措施, 保证设备的安全运行。
关键词：管板裂纹,应力集中,结垢严重
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