潘林
(廣西玉林市特種設備監(jiān)督檢驗所,廣西 玉林 537000)
臥式快裝鍋爐具有結構緊湊、占地面積小、整裝出廠、運輸安裝方便、蒸汽產(chǎn)生快、負荷調節(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,性價比高,深受用戶歡迎,廣泛應用于中小企業(yè)生產(chǎn)中,在我國工業(yè)鍋爐產(chǎn)品中占有量最大。隨著技術的不斷更新,爐型在設計、制造工藝上有所提高。但由于結構所限,存在著一些較為顯現(xiàn)的缺陷,表現(xiàn)為鍋內氧腐蝕、鍋筒底部鼓包和鍋爐管板裂紋等問題。最近筆者在檢驗工作中,即發(fā)現(xiàn)一臺DZG型快裝鍋爐管板已產(chǎn)生裂紋,裂紋處于高溫煙氣入口處管端及管孔區(qū),并向兩邊孔橋延伸,產(chǎn)生管板開裂事故隱患,現(xiàn)對此進行理論分析,提出預防對策和改進措施。
1.1 裂紋的性質
某泡沫包裝箱廠的一臺臥式快裝鍋爐,型號為DZG2-1. 25-M·A。查閱該鍋爐出廠資料知,管板材質為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)。鍋爐負荷較大,無鍋外水處理設備,采用向鍋內加藥方式進行水處理。自2001年運行至今,經(jīng)內部檢驗發(fā)現(xiàn):
(l)鍋筒內部結垢嚴重,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,其中最長處為25 mm,寬0.5 mm,有延伸趨勢。
為確定裂紋性質,將管子取出并把管孔區(qū)打磨平整進行顯微金相分析。最長裂紋發(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,裂紋內部有腐蝕產(chǎn)物,球化嚴重。
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的拉伸應力,便會產(chǎn)生晶間裂紋。
(2)一定有鍋水流入或穿過的接頭、接縫或裂紋。
(3)在這些接頭、接縫或裂紋中,鍋水被濃縮。
(4)鋼材上接觸化學物質的地方,必須有局部集中應力。
1.2.2 爐具具備苛性脆化條件
從運行情況和制造工藝分析,該爐具備苛性脆化條件:
(1)煮爐除垢時加藥量嚴重超標,爐水堿度極高,在高堿度下運行時間過長,形成苛性脆化環(huán)境,使爐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行脹接,管板與煙管間存在縫隙,鍋水進入縫隙,特別是高溫煙氣入口,爐水在此高度濃縮。
(3)受熱面結垢嚴重,水垢傳熱系數(shù)較鋼板低數(shù)十倍,高溫煙氣沖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,金屬抗拉強度下降,在正常壓力下,該部位金屬經(jīng)受接近于其屈服點的拉伸應力,形成苛性脆化的第三個條件。
1.3 管板高溫區(qū)熱負荷較高
管板高溫區(qū)熱負荷較高,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,不能將氣膜及時帶走,使氣膜下的金屬得不到冷卻,導致金相組織球化,金屬產(chǎn)生熱疲勞,加速了裂紋擴展:
(1)管板近管區(qū)域水循環(huán)不良,導致近管處產(chǎn)生“過冷沸騰”,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,在鍋爐運行時,間隙中的爐水受熱蒸發(fā)形成2個近圓環(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℃,受拉應力、彎應力、溫差應力疊加,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)的熱負荷最高,由于“進口效益”和管端冷卻不良,使管端過熱產(chǎn)生裂紋并延伸至管板。
(5)煙管伸出管板較長,冷卻不良,管端產(chǎn)生過熱裂紋并延伸至管板。
(6)水質不合格,管板管區(qū)水側結垢,導致管板過熱產(chǎn)生裂紋。
1.4 局部材料機械性能下降
鍋爐運行多年,當管板出現(xiàn)裂紋時,管板金屬組織發(fā)生變化,材料機械性能下降,對開裂20 g管板進行化學成分和金相分析發(fā)現(xiàn):管板化學成分符合20 g鋼板國家標準要求。因此,管板一旦出現(xiàn)裂紋,局部機械性能下降。
1.5 爐型結構的問題
產(chǎn)生裂紋是由爐型結構所致。很明顯,此種型式鍋爐鍋筒內壁流速最低,據(jù)有關熱力計算推薦值為低于0.01m/s,鍋筒內的水流速相當?shù)停荒軒ё邿崃?,造成鍋筒內形成循環(huán)死區(qū),壁溫升高,材料抗拉強度值大幅度下降,金屬產(chǎn)生熱疲勞裂紋。
(1)如果管板裂紋不是很嚴重,直接在裂紋處補焊,將裂紋修復即可;如本臺鍋爐,經(jīng)磁粉檢測確定產(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,再進行磁粉檢測,確定裂紋位置,同時用角磨機打磨,按照檢測打磨再檢測的步驟重復操作,直至裂紋消除。下一步就是補焊,由熟練焊工擔當,焊后外觀檢查合格后進行磁粉檢測,未發(fā)現(xiàn)裂紋,最后組裝煙管。先脹后焊,焊后再進行一次磁粉檢測及水壓試驗均合格。運行一段時間后重新檢驗,未發(fā)現(xiàn)異常情況,取得了較好的經(jīng)濟效益。
(2)如果管板裂紋較嚴重,可直接換管板。
3.1 制造廠家應嚴格執(zhí)行鍋爐制造技術條件及相關要求
對定型生產(chǎn)該爐型的制造廠家,應具有將圖紙轉化為工藝制造的能力,嚴格執(zhí)行規(guī)程和鍋爐制造技術條件及相關要求:
(1)管板管孔應采用機械加工,管孔應控制在中Φ(64.5 ±0.74)mm,工藝采用先脹后焊。脹管應在管端密封焊接前進行,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,不斷濃縮、蒸發(fā)形成高濃度的苛性鈉(NaOH)溶液。
(2)嚴格控制管子伸出管孔端長度。管子伸出管孔長度,應為管子的焊角高度加1.5 mm,如Φ 63.5 mm的管子,管子伸出管孔端長度6.5 mm,防止管子伸出管孔端過長,產(chǎn)生裂紋并延伸至管板孔橋。
3.2 對運行的鍋爐應進行改造
(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組對流管束,對流管直徑應大于Φ38 mm,降低煙氣入口處的煙氣溫度,通過熱力計算,降到700~750℃。
(2)改進給水裝置,改變進水方向及加強排污,強化鍋筒管板區(qū)鍋水的擾動,改善處于循環(huán)死區(qū)的區(qū)域,使鍋內的水有一定流動性,強化循環(huán)冷卻,使管板壁溫不至于過高。
(3)在鍋筒內壁4根Φ133 mm下降管孔,加限制流量的限流裝置,使鍋內的水有一定流動性。
3.3 加強運行管理及維護保養(yǎng)
鍋爐水質處理一定要按《鍋爐水處理監(jiān)督管理規(guī)則》要求進行,要配備水處理人員,每班至少排污一次,應有防止系統(tǒng)丟水措施,預防水垢生成;鍋爐運行要執(zhí)行《鍋爐房管理規(guī)則》;爐化學清洗應有鍋爐清洗方案和可靠工藝,由專業(yè)單位承擔。
通過以上分析探討,鍋爐管板裂紋產(chǎn)生的主要原因,可以歸結為:管板結垢;過冷沸騰;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,減少過冷沸騰;加強鍋爐的保養(yǎng)工作,減少鍋爐結垢,減少管板結垢因受熱不均產(chǎn)生的熱應力;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過量帶來的苛性脆化。這些經(jīng)驗的總結,對所有鍋爐的安全運行,具有普遍的參考價值。
[1]勞部發(fā)[1996]276號,蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程[S].
[2]國家質量技術監(jiān)督局鍋爐壓力容器監(jiān)察局,鍋爐定期檢驗規(guī)則[S]. 1999.
[3]中華人民共和國國務院第549號,特種設安全技術監(jiān)察條例[S]. 2009.
[4]JB/T4730-2005,承壓設備無損檢測[S].
[5]GB/T13298-1991,金屬顯微組織檢驗方法[S].