潘林
(廣西玉林市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所,廣西 玉林 537000)
臥式快裝鍋爐具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、整裝出廠、運(yùn)輸安裝方便、蒸汽產(chǎn)生快、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活、爐墻密封性好、保溫效果極佳、熱效率高等集于一身的眾多優(yōu)點(diǎn),性價(jià)比高,深受用戶歡迎,廣泛應(yīng)用于中小企業(yè)生產(chǎn)中,在我國(guó)工業(yè)鍋爐產(chǎn)品中占有量最大。隨著技術(shù)的不斷更新,爐型在設(shè)計(jì)、制造工藝上有所提高。但由于結(jié)構(gòu)所限,存在著一些較為顯現(xiàn)的缺陷,表現(xiàn)為鍋內(nèi)氧腐蝕、鍋筒底部鼓包和鍋爐管板裂紋等問(wèn)題。最近筆者在檢驗(yàn)工作中,即發(fā)現(xiàn)一臺(tái)DZG型快裝鍋爐管板已產(chǎn)生裂紋,裂紋處于高溫?zé)煔馊肟谔幑芏思肮芸讌^(qū),并向兩邊孔橋延伸,產(chǎn)生管板開(kāi)裂事故隱患,現(xiàn)對(duì)此進(jìn)行理論分析,提出預(yù)防對(duì)策和改進(jìn)措施。
1.1 裂紋的性質(zhì)
某泡沫包裝箱廠的一臺(tái)臥式快裝鍋爐,型號(hào)為DZG2-1. 25-M·A。查閱該鍋爐出廠資料知,管板材質(zhì)為20 g,煙管為20#,規(guī)格為Φ63.5 mm×3.5 mm,連接方式為焊接,鍋水循環(huán)方式為自然循環(huán)。鍋爐負(fù)荷較大,無(wú)鍋外水處理設(shè)備,采用向鍋內(nèi)加藥方式進(jìn)行水處理。自2001年運(yùn)行至今,經(jīng)內(nèi)部檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn):
(l)鍋筒內(nèi)部結(jié)垢嚴(yán)重,水垢厚度1~3 mm,為碳酸鹽水垢;
(2)前后煙管端部伸出管板長(zhǎng)10 mm;
(3)檢查發(fā)現(xiàn)高溫入口處,有13條煙管管端有數(shù)量不等的呈輻射狀由管端向孔橋延伸的裂紋,其中最長(zhǎng)處為25 mm,寬0.5 mm,有延伸趨勢(shì)。
為確定裂紋性質(zhì),將管子取出并把管孔區(qū)打磨平整進(jìn)行顯微金相分析。最長(zhǎng)裂紋發(fā)生處管孔有較多輻射狀裂紋、孔橋上有龜裂。金相檢查發(fā)現(xiàn),裂紋有分叉現(xiàn)象,為晶間裂紋,裂紋尾端圓鈍,裂紋內(nèi)部有腐蝕產(chǎn)物,球化嚴(yán)重。
1.2 苛性脆化
1.2.1 裂紋由苛性脆化引起
根據(jù)裂紋形貌和顯微金相分析結(jié)果,判斷裂紋由苛性脆化引起:
(1)鍋水一定含有較高濃度的游離堿,與鍋水接觸的鋼材中存在接近于其屈服點(diǎn)的拉伸應(yīng)力,便會(huì)產(chǎn)生晶間裂紋。
(2)一定有鍋水流入或穿過(guò)的接頭、接縫或裂紋。
(3)在這些接頭、接縫或裂紋中,鍋水被濃縮。
(4)鋼材上接觸化學(xué)物質(zhì)的地方,必須有局部集中應(yīng)力。
1.2.2 爐具具備苛性脆化條件
從運(yùn)行情況和制造工藝分析,該爐具備苛性脆化條件:
(1)煮爐除垢時(shí)加藥量嚴(yán)重超標(biāo),爐水堿度極高,在高堿度下運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng),形成苛性脆化環(huán)境,使?fàn)t水中氫氧化鈉濃度在10%以上。
(2)管板與煙管間采用角焊縫連接,該爐制造焊接前后未進(jìn)行脹接,管板與煙管間存在縫隙,鍋水進(jìn)入縫隙,特別是高溫?zé)煔馊肟?,爐水在此高度濃縮。
(3)受熱面結(jié)垢嚴(yán)重,水垢?jìng)鳠嵯禂?shù)較鋼板低數(shù)十倍,高溫?zé)煔鉀_刷管板后不能迅速將熱量傳遞給鍋水,該部位金屬溫度升高,金屬抗拉強(qiáng)度下降,在正常壓力下,該部位金屬經(jīng)受接近于其屈服點(diǎn)的拉伸應(yīng)力,形成苛性脆化的第三個(gè)條件。
1.3 管板高溫區(qū)熱負(fù)荷較高
管板高溫區(qū)熱負(fù)荷較高,易在管板與水接觸面產(chǎn)生一層氣膜,該處由于水流速較低,不能將氣膜及時(shí)帶走,使氣膜下的金屬得不到冷卻,導(dǎo)致金相組織球化,金屬產(chǎn)生熱疲勞,加速了裂紋擴(kuò)展:
(1)管板近管區(qū)域水循環(huán)不良,導(dǎo)致近管處產(chǎn)生“過(guò)冷沸騰”,易產(chǎn)生熱裂紋。
(2)管板上的管孔與管子間存在間隙,處于高溫區(qū)的部分管子,在鍋爐運(yùn)行時(shí),間隙中的爐水受熱蒸發(fā)形成2個(gè)近圓環(huán),使管板產(chǎn)生疲勞裂紋。
(3)管板與管子連接處采用焊接,2、3回程在后管板溫差500~700℃,受拉應(yīng)力、彎應(yīng)力、溫差應(yīng)力疊加,鍋爐頻繁起停,使管板與管子角焊縫局部產(chǎn)生裂紋。
(4)管板高溫區(qū)的熱負(fù)荷最高,由于“進(jìn)口效益”和管端冷卻不良,使管端過(guò)熱產(chǎn)生裂紋并延伸至管板。
(5)煙管伸出管板較長(zhǎng),冷卻不良,管端產(chǎn)生過(guò)熱裂紋并延伸至管板。
(6)水質(zhì)不合格,管板管區(qū)水側(cè)結(jié)垢,導(dǎo)致管板過(guò)熱產(chǎn)生裂紋。
1.4 局部材料機(jī)械性能下降
鍋爐運(yùn)行多年,當(dāng)管板出現(xiàn)裂紋時(shí),管板金屬組織發(fā)生變化,材料機(jī)械性能下降,對(duì)開(kāi)裂20 g管板進(jìn)行化學(xué)成分和金相分析發(fā)現(xiàn):管板化學(xué)成分符合20 g鋼板國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。因此,管板一旦出現(xiàn)裂紋,局部機(jī)械性能下降。
1.5 爐型結(jié)構(gòu)的問(wèn)題
產(chǎn)生裂紋是由爐型結(jié)構(gòu)所致。很明顯,此種型式鍋爐鍋筒內(nèi)壁流速最低,據(jù)有關(guān)熱力計(jì)算推薦值為低于0.01m/s,鍋筒內(nèi)的水流速相當(dāng)?shù)?,不能帶走熱量,造成鍋筒?nèi)形成循環(huán)死區(qū),壁溫升高,材料抗拉強(qiáng)度值大幅度下降,金屬產(chǎn)生熱疲勞裂紋。
(1)如果管板裂紋不是很?chē)?yán)重,直接在裂紋處補(bǔ)焊,將裂紋修復(fù)即可;如本臺(tái)鍋爐,經(jīng)磁粉檢測(cè)確定產(chǎn)生裂紋的管區(qū)范圍后,取下煙管,將管孔及孔橋打磨光潔,再進(jìn)行磁粉檢測(cè),確定裂紋位置,同時(shí)用角磨機(jī)打磨,按照檢測(cè)打磨再檢測(cè)的步驟重復(fù)操作,直至裂紋消除。下一步就是補(bǔ)焊,由熟練焊工擔(dān)當(dāng),焊后外觀檢查合格后進(jìn)行磁粉檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)裂紋,最后組裝煙管。先脹后焊,焊后再進(jìn)行一次磁粉檢測(cè)及水壓試驗(yàn)均合格。運(yùn)行一段時(shí)間后重新檢驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)異常情況,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
(2)如果管板裂紋較嚴(yán)重,可直接換管板。
3.1 制造廠家應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行鍋爐制造技術(shù)條件及相關(guān)要求
對(duì)定型生產(chǎn)該爐型的制造廠家,應(yīng)具有將圖紙轉(zhuǎn)化為工藝制造的能力,嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程和鍋爐制造技術(shù)條件及相關(guān)要求:
(1)管板管孔應(yīng)采用機(jī)械加工,管孔應(yīng)控制在中Φ(64.5 ±0.74)mm,工藝采用先脹后焊。脹管應(yīng)在管端密封焊接前進(jìn)行,焊后再加脹。以減少管孔與管子間的間隙,避免鍋筒的鍋水流入管孔區(qū)內(nèi),不斷濃縮、蒸發(fā)形成高濃度的苛性鈉(NaOH)溶液。
(2)嚴(yán)格控制管子伸出管孔端長(zhǎng)度。管子伸出管孔長(zhǎng)度,應(yīng)為管子的焊角高度加1.5 mm,如Φ 63.5 mm的管子,管子伸出管孔端長(zhǎng)度6.5 mm,防止管子伸出管孔端過(guò)長(zhǎng),產(chǎn)生裂紋并延伸至管板孔橋。
3.2 對(duì)運(yùn)行的鍋爐應(yīng)進(jìn)行改造
(1)降低煙氣入口處煙氣溫度,在爐膛后1/3處靠近爐膛煙氣入口處橫向布置1~2組對(duì)流管束,對(duì)流管直徑應(yīng)大于Φ38 mm,降低煙氣入口處的煙氣溫度,通過(guò)熱力計(jì)算,降到700~750℃。
(2)改進(jìn)給水裝置,改變進(jìn)水方向及加強(qiáng)排污,強(qiáng)化鍋筒管板區(qū)鍋水的擾動(dòng),改善處于循環(huán)死區(qū)的區(qū)域,使鍋內(nèi)的水有一定流動(dòng)性,強(qiáng)化循環(huán)冷卻,使管板壁溫不至于過(guò)高。
(3)在鍋筒內(nèi)壁4根Φ133 mm下降管孔,加限制流量的限流裝置,使鍋內(nèi)的水有一定流動(dòng)性。
3.3 加強(qiáng)運(yùn)行管理及維護(hù)保養(yǎng)
鍋爐水質(zhì)處理一定要按《鍋爐水處理監(jiān)督管理規(guī)則》要求進(jìn)行,要配備水處理人員,每班至少排污一次,應(yīng)有防止系統(tǒng)丟水措施,預(yù)防水垢生成;鍋爐運(yùn)行要執(zhí)行《鍋爐房管理規(guī)則》;爐化學(xué)清洗應(yīng)有鍋爐清洗方案和可靠工藝,由專業(yè)單位承擔(dān)。
通過(guò)以上分析探討,鍋爐管板裂紋產(chǎn)生的主要原因,可以歸結(jié)為:管板結(jié)垢;過(guò)冷沸騰;苛性脆化;水循環(huán)不良。避免管板產(chǎn)生裂紋方法有:煙管采取先脹后焊的方式,減少管板與煙管之間的縫隙,減少過(guò)冷沸騰;加強(qiáng)鍋爐的保養(yǎng)工作,減少鍋爐結(jié)垢,減少管板結(jié)垢因受熱不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力;改善鍋爐水循環(huán),減少傳熱死角;合理配置水處理溶劑,減少因NaOH過(guò)量帶來(lái)的苛性脆化。這些經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),對(duì)所有鍋爐的安全運(yùn)行,具有普遍的參考價(jià)值。
[1]勞部發(fā)[1996]276號(hào),蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].
[2]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局鍋爐壓力容器監(jiān)察局,鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則[S]. 1999.
[3]中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院第549號(hào),特種設(shè)安全技術(shù)監(jiān)察條例[S]. 2009.
[4]JB/T4730-2005,承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)[S].
[5]GB/T13298-1991,金屬顯微組織檢驗(yàn)方法[S].