趙勇
摘要:本文主要分析了某鍋爐廠制造的一臺蒸汽發(fā)生器在使用過程中發(fā)生了水冷壁管被鰭片撕裂滲漏現(xiàn)象,對這一典型案例進(jìn)行分析說明,以供參考。
關(guān)鍵詞:蒸汽發(fā)生器;鰭片撕裂;受熱面管;案例分析
1前言
近年來,隨著國家對鍋爐產(chǎn)品的安全、能效、環(huán)保要求的不斷提高,使得對鍋爐制造單位和使用單位的要求也越來越高。在市場需求的催生下,使得小型蒸汽發(fā)生器得到了廣泛的應(yīng)用。但因其產(chǎn)品定位在D級鍋爐或正常水容量小于30L的特種設(shè)備范疇之外,致使在生產(chǎn)使用過程中缺少相關(guān)部門的有效監(jiān)督,使產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊,存在著一定的安全隱患。
最近,某鍋爐廠制造的一臺蒸汽發(fā)生器,在使用過程中就發(fā)生了水冷壁管被鰭片撕裂滲漏現(xiàn)象,如下面圖片一至圖片四所示。因其損傷案例比較典型,特作如下分析說明。
2制造單位采用此種爐型的目的和優(yōu)點(diǎn)
該設(shè)備為正常工作水容量小于30L且額定蒸發(fā)量為0.2t/h的燃天然氣蒸汽發(fā)生器,不屬于特種設(shè)備目錄范疇,不需要也未經(jīng)過制造監(jiān)督檢驗。由圖片可以看出,此蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)由下環(huán)型集箱,四周水冷壁管及上部節(jié)能器組成。鍋爐燃燒室采用了類似于膜式水冷壁的結(jié)構(gòu),只是把管子間的鰭片換成了45°軸向布置的角鋼,水冷壁規(guī)格為φ51×3.0mm,節(jié)距為90mm,角鋼規(guī)格為40×40×3mm,在燃燒器接口區(qū)域的鰭片寬度為210mm,厚度為3mm。燃燒室用水冷壁管代替爐膽,目的是減少鍋爐的水容量,而采用類似膜式壁結(jié)構(gòu),可有效減少燃燒室(爐膛)的散熱損失,提高燃燒效率,不僅保證鍋爐的額定出力,且對鍋爐外包還能起到一定的保護(hù)作用。
3此爐型存在的問題和可能導(dǎo)致的損壞
首先,制造單位為了防止燃燒機(jī)的火焰直接沖刷受熱面管,造成受熱面管過早結(jié)垢損壞,用耐火泥將燃燒器接口對面的受熱面管進(jìn)行了覆蓋,但這樣就進(jìn)一步減少了燃燒室的受熱面,加大了燃燒室(爐膛)的熱負(fù)荷,會造成燃燒室(爐膛)的溫度過高。
其次,已有成熟的研究表明:鰭片中心表面溫度與鰭片寬度的平方成正比,與鰭片厚度成反比。即在鰭片厚度不變的情況下,鰭片越寬,其中心表面溫度就越高,鰭片區(qū)域的溫差應(yīng)力也越大,由熱疲勞導(dǎo)致的開裂情況就越嚴(yán)重,而單純由鰭片過寬引起的開裂多是在鰭片中心部位發(fā)生的變形開裂。而該爐型燃燒器接口處的鰭片(或者稱之為扁鋼)寬度達(dá)210mm,僅考慮了燃燒室的密封作用,忽視了扁鋼的有效冷卻問題,而特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范中明確要求:膜式壁等結(jié)構(gòu)中與管子焊接的扁鋼,其膨脹系數(shù)應(yīng)當(dāng)和管子相近,扁鋼寬度的確定應(yīng)當(dāng)保證在鍋爐運(yùn)行中不超過其金屬材料許用溫度,焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)保證扁鋼有效冷卻。根據(jù)文中圖片四的顯示可以清楚地看到,該鍋爐燃燒器接口處的扁鋼已明顯過燒變形,并在扁鋼中心部位產(chǎn)生了橫向斷裂,這就是沒充分考慮上述安全技術(shù)規(guī)范要求所帶來的直接后果。
另外,因鰭片與管子在正常工況下的換熱狀況不同,造成管子與鰭片的熱膨脹量不可能完全一致,所以在他們之間會產(chǎn)生應(yīng)力。而鰭片與管子的焊縫組織特點(diǎn)導(dǎo)致其疲勞強(qiáng)度比母材要低得多,所以在鰭片寬度設(shè)計合理的情況下,水冷壁鰭片的疲勞損傷首先在焊縫處發(fā)生是有理論基礎(chǔ)支撐的。而針對該臺鍋爐,鰭片(扁鋼)與水冷壁管的焊接采用的是手工二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊,因其不屬于特種設(shè)備,所以焊接工藝和工藝紀(jì)律的執(zhí)行也缺少有力的監(jiān)督,鋼管與扁鋼的焊縫熔深、未熔管壁厚度等關(guān)鍵要素也得不到有效控制。而該蒸發(fā)器的水冷壁管壁厚只有3mm,上述要素的控制就更為重要。所以在焊接質(zhì)量等綜合因素影響下,主要是扁鋼尺寸過寬無法得到有效的冷卻,在扁鋼自身的溫差內(nèi)應(yīng)力和水冷壁管與扁鋼膨脹量不同所帶來的疲勞應(yīng)力的共同作用下,最終導(dǎo)致扁鋼與水冷壁的連接焊縫處撕裂并貫穿母材造成滲漏(見圖片二)。
由上述分析可見,解決該爐型燃燒器接口處鰭片(扁鋼)開裂及其與水冷壁連接焊縫處撕裂的簡單有效方法是:在扁鋼密封板上焊接適當(dāng)數(shù)量的抓釘,并涂敷耐火泥進(jìn)行絕熱處理。但此爐型的爐膛熱負(fù)荷及鍋爐熱效率等問題需制造單位另行考慮。
4結(jié)束語
總之,最后需要說明的是,鍋爐膜式管屏的應(yīng)用已有多年,尤其在大型鍋爐機(jī)組上的應(yīng)用更為廣泛,其很多優(yōu)點(diǎn)都已得到業(yè)界的普遍認(rèn)同,且生產(chǎn)加工工藝也相對成熟,普遍采用自動化生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行焊接彎制等,質(zhì)量穩(wěn)定有保證。近幾年,不少蒸發(fā)器生產(chǎn)廠家把此技術(shù)應(yīng)用到蒸汽發(fā)生器的設(shè)計制造上,由于受工裝設(shè)備的限制且大量采用手工焊,無論是冷作加工質(zhì)量還是焊接裝配質(zhì)量都無法達(dá)到相關(guān)鍋爐專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
(作者單位:江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院鎮(zhèn)江分院)