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1、浅析水火管锅炉管板裂纹的原因及处理措施保山市质量技术监督技术检测中心 张永鸿二00五年六月十五日浅析水火管锅炉管板裂纹的原因及处理措施摘要：对水火管锅炉管板裂纹成因进行分析，并提出相应的解决措施及预防措施。关键词 管板 裂纹 对策 锅炉是一种直接受大焰加热且具有爆炸危险的特种设备，其生产 好坏，运行管理如何直接关系到国家和人民生命财产安全，事关国民经济的健康发展和社会和谐、稳定。在目前使用的锅炉中卧式水火管锅炉占有相当比例，笔者在十余年的检验工作中发现，卧式水火管锅炉的损坏主要发生在高温端管板，主要损坏形式为裂纹。如何作好此类锅炉的运行管理和检验工作，是检验工作的重点。水火管锅炉的管板裂纹现象
2、，严重的影响了锅炉在正常生产过程安全运行。现结合检验实际及工作经验对裂纹生产的特征，性质和原因进行分析，并提出相应的解决预防措施。（一）、后管板处的工作环境 卧式水火管锅炉二回和烟气入口（即高温端管板）管板的工作环境十分恶劣，此部位热强度大，散热条件差，温度变化频繁；锅水中对钢材性能有影响的杂质浓度大。（二）、后管板裂纹产生的原因 1、后管板上的工作温度差 在影响后管板生产裂纹的诸多因素中，最关键的影响是管板上的工作温度差，后管板经历复杂的烟气换热过程，它包括：辐射，对流和传导。燃料在炉膛里燃烧生产的高温烟气在炉膛放出部分热量后，温度约在750-950之间，经烟箱从后管板进入烟管，最后经烟管道
3、排入大气。后管板内壁水流阻力大，锅炉水容易气化而析出水垢，水垢进一步阻碍了锅炉水与高温烟气间热交换，致使管板工作温度进一步上升。对我市在用锅炉定期检验过程中发现；水处理工作比较好的锅炉，内壁很少附着水垢，管板传热效果比较理想，一般不存在的裂纹问题；而出现后管板裂纹的锅炉，多数在锅筒内壁都附着较厚的水垢。而这样的锅炉的水处理工作往往很差，或者根本没有采取任何水处理措施。 在锅炉后管板的管孔区存在着“进口效应”。所谓“进口效应”是指：当烟气从烟箱进入烟管时，在入口处由于气流受到很大的扰动，几乎不存在热边界层，所以在管板的口管孔区其局部放热系数远远大于烟气在管内达到稳定流动状态后的放热系数。就二回程
4、管板来说，烟管入口处的受热情况则比较复杂。管孔周围的管板除了接受辐射热，还接受到烟管吸收的对流热量，这部分热量是通过管子和管板的链接部位传给管板的，因此在管孔处，管板接收的热量是辐射和对流两部分叠加。而这部分对流换热量由于“进口效应”的存在则是非常显著的。通过查阅管板温度计算一书发现，在烟箱的烟气温度约为900左右，烟气进入烟管的置量流速为11KgS，锅内工质的饱和温度为188，此时烟气在烟管入口处的放热系数是烟气在管内到稳定流状态时的放热系数的约三倍；是辐射放热系数的1.56倍。通过把管孔附近的辐射换热系数和对流换热系数进行数学处理和叠加得出管孔处管壁的实际热负荷远比整个管板其他部位的热负荷
5、要大得多。这种问题多次在检验工作中得到证实。 例如：在腾冲县粮油加工厂KZL4-13型锅炉检验中发现该锅炉后管外壁有白色结晶物；宏观检验未发现管板有明显塑性变形现象；清除灰垢等表面附着物后磁粉探伤显示高温区管板上烟管管端及角焊缝上多处放射性裂纹，部分延伸至管板；管板测厚及硬度测定：平均厚度16mm。硬度值在140-152HB之间，符合16Mng材料机械性能允许值。金相分析结果管板金相组织为：铁素体+片状珠光体+少量分散粒状珠光体，晶粒度6-7级；未发现明显晶粒粗化现象。金相组织为正常状态。内部检验发现烟管及管板内壁均附着5-25mm厚水垢，而水垢最厚之处正好是在烟管和管壁相接之处。也就是说此处
6、的热负荷最大，蒸发作用最为强烈，导致水垢增生。由于“进口效应”导致了管板受热的不均匀性，管板管端得不到及时、充分的冷却，管端及管孔周围，管孔之间（孔桥）在高温和应力作用下生产了裂纹缺陷。2、由于锅内水循环不良引起的“过冷沸腾”也是导致管板裂纹的另一个主要原因。在烟管与管板的连接部位，如果在制造或修理过程中管子外壁与管孔壁间隙就有可能导致管板产生疲劳裂纹，烟管与管孔连接部位存在有间隙时，锅炉在运行过程中，由于水的进入，就会有一个环形水膜在缝隙中形成。当水膜温度上升产生气泡，而气泡不易从缝隙中跑出，使缝隙间的局部水循环恶化，从而造成局部金属过热。当过热气体从缝隙中喷出后，锅水再次进入缝隙，从而使恶
7、性循环得以进行。加之多数中小型锅炉均是间断运行，锅炉受热面反复经受升温和降温的变化，用不了多久，管板金属的强度就会降低，造成热疲劳破坏，裂纹产生。 如2005年在对保山粮贸公司一台KZGO.5-5-A型锅炉的检验中发现该炉前后管板管头及烟管与管板角焊上有白色结晶物，清除附着物后磁粉探伤显示前后管板烟管管端及角焊缝多处裂纹，多数延伸至管板。内部检查发现该锅炉内水垢附着较少；对管板进行硬度、厚度测定及金相分析均未发现异常，烟管管头伸出长度亦符合图纸及标准要求。查看锅炉修理、运行资料后发现：该炉在1996年曾经因水处理不好锅炉结垢严重，由于垢质特殊难以化学清洗除垢，故采取了全部更换烟管的办法。经查修
8、理工艺及记录发现该锅炉更换烟管时未采用先膨胀后焊的修理工艺。内部检验发现烟管与管孔间有明显间隙。因此判断，裂纹的产生是由于管孔间隙存在而产生的热疲劳破坏。类似的故事在腾冲县林夏木制品厂KZL4-13型锅炉上也有发现。该锅炉烟管与管板原为膨胀连接，1999年因锅炉缺水导致部分烟管胀口渗漏。用户在未报任何部门同意的情况下。擅自找修理单位，补焊处理，胀改焊且未经预胀处理，加之锅炉水处理较差锅内结生水垢较厚。2003年4月我们在检验中发现该炉后管板多处裂纹产生，综合分析结果我们认为这是一起由于热疲劳和水垢“进口效应”导致管板裂纹的典型案例。3、苛性脆化引起管板开裂苛性脆化是引锅壳式锅炉管板开裂的一个重
9、要原因。由苛性脆化导致的裂纹后果非常严重，轻者使锅炉不能使用，重者会引发锅炉爆炸，造成严重的事故，产生苛性脆化的条件是由（1）锅水中含有较高浓度的游离碱（一般为氢氧化钠）；（2）锅炉结构上有造成锅水局部浓缩的条件；如胀口缝隙处。（3）在金属中有接近于它的屈服点的拉伸应力，三个条件共同作用引起，在锅炉的运行中人们为避免苛性脆化产生而采取的主要措施就是控制锅水相对碱度在某一数值内。所谓相对碱度，就是锅水中游离氢氧化钠的量与溶解固形物的比值，即：即：维持锅水相对碱度小于0.2，就能有效防止苛性脆化。实验表明相对碱度在0.2以下时，即使锅炉结构上存在苛性脆化的条件，也达不到苛性脆化的危险点。在对某厂D
10、ZW2-8-A型锅炉定检中曾发现锅炉因苛性脆化导致后管板裂纹，致使锅炉判废的案例。在锅炉进行宏观检查是发现，后管板高温烟气入口处管孔去区存在大量裂纹，并且在管孔周围呈放射状，有的由一个管孔连到另一个管孔。裂纹不仅存在于金属表面，而且有的已经深入到金属内部，以致穿透金属壁、金相分析看到，裂纹有明显分叉现象，并且沿着晶粒边缘扩展，裂纹内部存在大量腐蚀产物，是典型的晶间腐蚀。4、制造、修理过程中工艺措施不当，使锅炉存在一定缺陷，同样会导致锅炉管板裂纹的产生，除前述的烟管与管孔连接部位存在有间隙外，常见的还有烟管管端伸出过长，焊缝存在咬边缺陷等多种。如：我市某木制品公司KZL4-13型锅炉，在定检时发
11、现烟管管端开裂并泄露，经表面探伤发现其裂纹没管子轴向长达15mm左右，径向5mm左右，裂纹同时已延伸至管板，外观检验发现该炉烟管管端伸出焊缝长度长达7mm，加上角焊缝高度，管端伸出管板长度为10cm。而根据蒸汽锅炉安全技术监察规程；GBT16508锅壳锅炉受压元件强度计算及有关锅炉制造操作的要求，当管板与600以上的烟气接触时，其烟管端口伸出焊缝长度不应超过1.5mm。该炉烟管最外端温度按简单方法计算已超过管材许可壁温：水垢假设厚度mm管子伸出外端的壁温1347.461.5401.262455注：上述计算按简单模式计算，且未计介质与钢板的传热热阻。 由上述计算苛判断，该事故为由于管端伸出长度过
12、长而引起的裂纹损坏事故。 又如：一台上海红旗锅炉厂1972年生产的KZL2-13型锅炉运行时发现后部有蒸汽喷出，停炉检查后发现后管板右上侧角板拉撑主焊缝处有一道穿透性裂纹，采用硬度、厚度测试及金相分析未发现异常。内部检查发现角板撑与管板连接角焊缝有多处弧坑，靠管板侧连接咬边，咬边深最大3mm。同时发现裂纹起始于该条角焊缝，进一步检查后判定焊缝严重咬边是裂纹的主要原因。首次在锅炉运行时，管板在介质压力作用下有向外扩张趋势，由于受烟管及角板撑的刚性约束，使用管板变形不协调，形成高应力区。第二、焊缝的严重咬边和弧坑，一方面削弱了管板的强度，另一方面造成了应力集中，就在此高应力形成裂纹源。第三、锅炉负
13、荷不均衡频繁启停，在高变应力作用下加剧了裂纹的扩张。（三）防止措施为防止管板裂纹的发生，可以采取以下措施。1、 在后管板烟气侧加隔热层，可以基本解决管板上管孔处热负荷过大的问题，即避免了管板高温，又减少锅炉内局部锅水浓缩和结生水垢的危害。2、 改善烟管与管板的连接结构，焊前先进行预胀，彻底消除管子与管孔间间隙后再进行焊接烟管与管板焊接应采取金焊透的连接形式，并且严格控制管子伸出管端焊缝的长度，有条件的焊后应进一步施胀，以消除焊接应力，即采用“胀焊胀”工艺。3、 对大口径烟管应采取管端部加装防热套管，以防止“进口效应”的产生。4、 加强对锅炉的运行管理和水质监控。制定合理的操作方法，正确排污，确
14、保锅炉用水水质达标减少水垢的结生，防止锅炉腐蚀。5、 提高制造，维修工艺水平。四结束语水火管锅炉具有结构紧凑，制造简单，便于安装等优点，老式水火管锅炉（过去称卧式块装锅炉）是1965年上海工业锅炉厂为淘汰“煤老虎”锅炉而发明的中国式炉型，四十余年来在全国工业锅炉中占有相当大的比例，即使陆续出现管板开裂，锅壳下部鼓泡等安全性问题，但用户仍是喜闻乐见。近二十年来新型水火管锅炉正逐步的代替老型水火管锅炉，新型水火管炉以其先进的技术，优越的性能和安全可靠的运行越来越被广大用户赞誉。但作为一名检验工作者，我们时刻不能忽略那些在用的和正在制造出厂的老型水火管锅炉。关注这些锅炉的制造、安装、修理、改造、运行、管理，保证其安全经济运行，以确保人民生命财产安全。参考文献：1、 劳动部蒸汽锅炉安全技术监察规程2、 刘龙淼锅炉事故处理大全3、 姚继贤低压锅炉水处理技术4、 李柏生新型水火管锅炉壳式锅炉的安全性和经济性
