一台电站锅炉管端裂纹产生的原因分析

宋寅

摘 要：在对某化肥厂的一台35t电站锅炉进行内部检验的过程中，经磁粉检测发现该锅炉上下锅筒的水冷壁管、对流管和下降管出现了大量的管端裂纹，存在严重的不安全隐患。基于此，本文通过对锅炉出现管端裂纹现象的分析，从结构和运行上阐述了锅炉发生管端裂纹的原因及危害，并提出了几项预防和改进措施。

关键词：电站锅炉；磁粉检测；管端裂纹

中图分类号：TK228 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）20-0057-02

Analysis on the Causes of Pipe end Crack in a Utility Boiler

SONG Yin

（Boiler & Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016）

Abstract： In the internal inspection process of a 35t power plant boiler in a chemical fertilizer plant， it was found that a large number of pipe end cracks appeared in the water cooled wall tube， convective tube and descending pipe in the boiler tube and the lower boiler tube， and there were serious unsafe hidden dangers. Based on this， this paper through the analysis of the cracks in the tube end of the boiler， the cause and harm of the crack in the tube end of the boiler were expounded from the structure and operation， and several prevention and improvement measures were put forward.

Keywords： utility boiler；magnetic powder testing；tube end crack

1 锅炉介绍

某化肥厂的电站锅炉为国内某锅炉厂1979年制造，1980年投入使用，至检验时已运行近32年。由于该锅炉制造时间较早，原设计图纸、原始安装资料以及其他技术资料遗失严重。因此，厂方不能提供详细的原始出厂技术资料。据介绍：锅炉型号为SHF35-2.45/400，制造编号不详，累计运行时间约33万h，最大蒸发量35t/h，设计出口压力2.45MPa，设计出口温度400 ℃，上、下锅筒材质均为20g，上锅筒壁厚为28mm，下锅筒壁厚20mm。

2 裂纹情况

检验过程中发现上下锅筒水冷壁、对流管及下降管与锅筒角焊缝及热影响区均存在表面裂纹，形状为发散状，经打磨测深6～7mm，具体情况如下。①上锅筒：下降管6根，其中4根有裂纹，占67%；②前后及两侧水冷壁管56根，其中38根有裂纹，占68%；③对流管306根，其中202根有裂纹，占66%。④下锅筒：对流管306根，其中236根有裂纹，占77%。

3 锅炉管端裂纹产生的原因

3.1 结构不合理

据厂内管理人员介绍，该爐为北京锅炉厂设计制造。原设计为胀接结构，在安装过程中改为焊接结构，但是胀改焊未进行工艺评定。胀接改为焊接后，现场焊接因锅筒壁厚较厚，焊接后又无法进行整体热处理。这就必然导致在现场安装施工过程中工艺有较多不合理处。锅炉运行30多年来，对流管曾经更换过多次。1985年以后，就发现在上下锅筒水冷壁管、对流管及下降管角焊缝及热影响区部位开始出现裂纹，随着连续运行时间的增加，1994年以后，出现裂纹的管端越来越多，基本上每2～3年都要对裂纹进行处理，局部修理已超过3次以上，并且均未进行焊后热处理。

经过分析，笔者认为，胀接改为焊接后，现场焊接因锅筒壁厚较厚，水冷壁管、对流管和下降管壁厚较薄，焊接后因现场条件所限无法进行整体热处理，现场安装施工过程中工艺有较多不合理性，这是裂纹产生的主要因素[1]。

焊后不进行热处理，不能消除焊接过程中的应力。在焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀性，以及构件本身产生拘束或外加拘束，焊接工作结束后，在构件中总会产生焊接应力。焊接应力在构件中的存在，会降低焊接接头区的实际承载能力，产生塑性变形，严重时还会导致构件破坏。消应力热处理是使焊好的工件在高温状态下，其屈服强度下降，以达到松弛焊接应力的目的[2]。

多次换管和超过3次以上的局部修理，都会对金属组织产生直接影响。伴随焊接施工，会产生残余应力。焊接残余应力是由于焊接引起焊件不均匀的温度分布、焊缝金属热胀冷缩等。所以，多次焊接，其焊接接头会出现淬硬组织，使材料的机械性能变坏。这种淬硬组织在焊接应力及氢的作用下，可能导致接头破坏。如果经过热处理以后，接头的金相组织得到改善，提高了焊接接头的塑性、韧性，从而可以改善焊接接头的综合机械性能[3]。

因此，锅炉安装过程中应严格按照标准及图纸、工艺要求进行。胀改焊的改变，应经充分研究论证，要符合相关工艺设计要求才能进行。未经工艺评定就擅自改变其结构，必然会对受压元件造成较大影响。

3.2 频繁启停

据了解，该企业生产极不稳定，该炉属于调峰机组，有生产任务时，立即点炉运行，无生产任务时，锅炉立即停运，启停锅炉未按照操作规程进行，紧急启用和紧急停炉是家常便饭。锅炉在运行过程中，由于生产的不稳定，导致锅炉频繁启停，这也是促使管端裂纹出现的主导因素。点火升压、升温、升负荷速度太快，并且停炉冷却过快，使炉内冷热不均匀，产生过大的热应力。因负荷突减，气压突增，使壁厚较厚的锅筒与壁厚较薄的水冷壁管、对流管和下降管的焊接角焊缝及热影响区部位存在较大的温差应力，应力高度集中处，因负荷和压力波动以及频繁启动导致应力周期变化，引起大应力低周疲劳裂纹。

3.3 超负荷运行，运行中负荷变化过大过快

近几年化肥供给关系形势好转，企业效益看好，生产形势极度紧张，锅炉长期超负荷连续运行，运行中负荷变化过大过快。锅炉长期处于高温、高压、高应力的环境下连续运行，锅筒的上下部及内外部之间、管子与锅筒之间，由于受热不均匀，再加上不正常的运行工况，往往能产生很大的温差，妨碍自由膨胀或收缩。锅炉在运行中因受热不均匀，产生热应力或温差应力，热应力会经常变动，产生热疲劳。加上结构缺陷，使该部位的交变应力进一步加剧，在生产中经常超负荷连续运行，加速了裂纹的发展。

3.4 腐蚀作用

焊缝部位由于热应变作用会产生很大的残余应力，在腐蚀作用下，热疲劳应力不断使裂纹尖端的保护膜破坏，形成腐蚀电池的阳极，使裂纹不断被腐蚀，加快了发展。

4 结论

笔者认为，该裂纹的发生，不仅因为结构不合理，在使用管理上也有一定的问题。要从根本上解决问题，确保锅炉安全经济运行，企业在以后的工作中应在以下几个方面加以重视：①锅炉在安装过程中应严格按照标准及图纸、工艺要求进行；胀改焊的改变，应经充分研究论证，要符合相关工艺设计要求；②运行过程中，严格按照规程操作，尽量避免频繁启停；③坚决杜绝长期超负荷运行，加强管理，提高水平，以保证锅炉安全经济运行；④企业应制定更新计划，超过设计寿命的锅炉应及时进行更新，避免超期服役现象发生；⑤加强出厂技术资料的管理，管理人员应对技术资料借阅等进行登记；⑥企业应建立健全金相监督和化学监督制度，设置金相监督和化学监督的专职人员，设置相应的设备，对锅炉材质的变化做到心中有数[4]。

参考文献：

[1]戈晓岚，杨兴华.金属材料与热处理[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]赵敩，朱兆富.动力锅炉检验及故障分析[M].北京：劳动人事出版社，1985.

[3]李之光，王铣庆，刘曼青，等.锅炉安全基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1980.

[4]陈学俊，陈听宽.锅炉原理[M].北京：机械工业出版，1981.