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        SH型鍋爐防焦箱裂紋的原因及防方治法

        2011-05-24 10:32:08王進
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2011年12期
        關(guān)鍵詞:汽水爐膛蒸汽

        王進

        (南京市鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗所,江蘇 南京 210002)

        我市1臺SH10-25/400型水管鍋爐的左防焦箱下降管口和防焦箱之間,距爐墻60毫米處發(fā)生裂穿漏水(具體位置和尺寸見圖1),被迫停爐檢修,停爐后在裂紋處取樣作金相分析,試驗結(jié)果,晶粒度為5至6級。

        該爐是季節(jié)性生產(chǎn),經(jīng)檢查,防焦箱壁沒有產(chǎn)生腐蝕,厚度與原使用壁厚相同,內(nèi)部無水垢,亦未發(fā)現(xiàn)嚴重的局部腐蝕現(xiàn)象,現(xiàn)對裂紋產(chǎn)生的原因作如下分析。

        圖2防焦箱前端部分的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出,下降管入口處到防焦箱前端有900毫米,除370毫米嵌入前墻外,余下的530毫米暴露在爐膛里面,在這個區(qū)段內(nèi)防焦箱是水平布置的,沒有上升管,從下降管供給防焦箱的水直接向后流動上升到上集箱再流回鍋筒,不可能流向集箱前部,造成在900毫米內(nèi)鍋水基本不流動,形成水循環(huán)中的一個所謂的“死角”,這部分鍋水就成了所謂的“死水”。在高溫作用下分層如圖3所示,水的汽化層之所以形成圖3那樣的形狀,主要是由于各部分受熱程度不同和距下降管入口尺寸的大小密切關(guān)系。同時,蒸汽層的厚度又隨著負荷的變化而變化,當鍋爐負荷正常(一般在70-100%)時,這段防焦箱幾乎不產(chǎn)生汽化,防焦箱的運行仍然是可靠的。當鍋爐工況惡化(負荷過小或過大,或爐膛在較大正壓下運行)時,該段防焦箱內(nèi)形成明顯的汽水分層,工況惡化程度越大,產(chǎn)生的蒸汽就越多,蒸汽層就越厚。爐膛內(nèi)燃料燃燒放出的熱量不斷地輻射方式為主的傳給防焦箱。由于防焦箱內(nèi)上部是蒸汽,蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)比水小得多,同時,蒸汽在這段防焦箱內(nèi)不產(chǎn)生流動,由于蒸汽傳熱差,熱量傳給防焦箱后,防焦箱內(nèi)惡化的程度變化,當負荷趨于正常時,鍋水又會逐步充滿整個防焦箱,由于水的導(dǎo)熱系數(shù)比蒸汽大得多,熱量被迅速吸收,壁溫很快下降,這個過程經(jīng)過多次重復(fù),防焦箱壁就會因熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力而產(chǎn)生疲勞裂紋,反復(fù)多次就會形成穿透性裂紋。這就是常常發(fā)生在蒸汽鍋爐上的低周疲勞裂紋。

        鍋爐爐膛的熱強度也是引起SHL型鍋爐防焦箱產(chǎn)生裂紋的一個重要原因。國內(nèi)燃煤鍋爐的熱力計算都是在一定的爐膛內(nèi)基本上不產(chǎn)生汽化,即不會形成汽水分層,當爐膛在正壓燃燒的情況下,爐膛溫度勢必提高。爐膛內(nèi)溫度一般在900℃以上,傳熱是以輻射為其主要方式,而輻射力(煙氣單位面積在單位時間內(nèi)對外輻射的能量)和煙氣絕對溫度的四次方成正比[絕對溫度與攝氏溫度的關(guān)系:

        T°=t℃+273.15(°k)]即

        E=C(T/100)4X4.1848 千焦/米2·時

        式中 E-輻射力 千焦/米2·時;

        T-煙氣的絕對溫度[°k];

        C-煙氣的輻射系數(shù)千焦/米2·時;

        從上式中可以看到,爐膛溫度上升,煙氣輻射力急劇增加,因防焦箱內(nèi)部水循環(huán)的“死角”因接收的熱量增多,汽水分層加劇,促使壁濁升高,為裂紋的生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

        另外,材料的基本許用應(yīng)力隨溫度升高而降低,當防焦箱溫升高時,會產(chǎn)生裂紋,因防焦箱允許承受壓力是按結(jié)構(gòu)尺寸和一定溫度下所能承受壓力是按結(jié)構(gòu)尺寸和一定溫度下材料的許用應(yīng)力決定的。溫度增高,材料的基本許用應(yīng)力下降,防焦箱所能承受的壓力降低。若仍然保持鍋爐的壓力,則防焦箱的壁濁增加而箱壁應(yīng)力就會超過材料的屈服強度,就有可能產(chǎn)生塑性變形。例如,某廠鍋爐的設(shè)計壓力是2.45Mpa,飽和水的溫度是224.99℃,按有關(guān)標準的規(guī)定(這里暫不考慮過熱器的壓力降和安全閥動作壓力的影響),防焦箱的設(shè)計壁溫為飽和水的溫度+80℃,即224.99+80℃=304.99℃。在此溫度下,20號(即該爐防焦箱所用材料)鋼的基本許用壓力是11.85公斤力/毫米2。根據(jù)防焦箱的外觀檢查和金相試驗判定,防焦箱裂紋處的壁溫已超過450℃。若以450℃計,防焦箱的基本許用應(yīng)力下降為6公斤力/毫米2,比正常工況下降低近1倍,這對許可工作壓力的影響是極具嚴重的。

        上面是從理論上分析了產(chǎn)生裂縫是由于防焦箱內(nèi)的“死角”造成水循環(huán)不良,壁溫升高,一定時間以后壁溫降低,這種忽冷忽熱導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生。從實際情況看,也可以看到相同的結(jié)論。

        第一,裂紋是橫向裂紋,除三條裂紋穿外,其余均是多條發(fā)狀裂紋,而橫向裂紋是熱應(yīng)力疲勞裂紋的一個極其重要的特征。

        第二,防焦箱壁外側(cè)呈暗紅色,內(nèi)壁法蘭,這是又一個重要特征。裂紋區(qū)的晶粒沒有粗化,其溫度沒有超過相變溫度,但是鋼管壁法蘭必須在400℃以上,證明工作溫度是在400℃到相變溫度之間。如上所述,防焦箱內(nèi)如果沒有產(chǎn)生汽水分層,其壁溫是不可能達到法蘭溫度的。

        為了發(fā)展SH型鍋爐運行的可靠性,根據(jù)不同情況建議采取以下不同的措施。

        第一,鍋爐制造商廠對設(shè)計進行修改,有兩種方案可供參考,一是將下降管入口由現(xiàn)在的位置向前墻方向移動,使其入口置于前墻附近(或嵌入爐墻內(nèi),或在爐墻外接入),由下降管供給的水在防焦箱受熱部分能產(chǎn)生流動,防止汽水分層;二是在現(xiàn)設(shè)計的防焦箱前面(指下降管入口和前墻之間加裝適量的上升管,也能起到防止汽水分層的作用。有的使用單位考慮將現(xiàn)有的上升管移一部分(即上集箱管子不增加,將防焦箱上升管移4-5根靠近前墻,也能起到同樣的作用。

        第二,鍋爐運行采取措施控制負荷急劇波動,超負荷或低負荷的時間不能超過有關(guān)規(guī)定的要求,以免鍋內(nèi)過程惡化。同時,保持爐膛負壓燃燒,防止防焦箱因負荷重而產(chǎn)生汽車分層。

        第三,運行中鍋爐,如果沒有足夠的時間停爐改造,可用耐火磚(或耐火泥)將防焦箱前面“死角”部分覆蓋起來,避免直接接受爐膛的輻射熱,從而減少了汽水分層的可能性。

        [1]李韓生.鍋爐防焦箱的改造[J].冶金動力,1988-08-15.

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