WNS型燃气锅炉烟管裂纹的原因分析及优化措施

许卫民 中国铁路上海局集团有限公司科研所

锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。

铁路行业从最初的蒸汽机车，到现今站段生活生产，锅炉设备一直都发挥着重大的作用，它的安全运行，直接影响着铁路运输生产安全。

我们在集团公司管内某单位进行锅炉定期检验时，发现了一台WNS型卧式内燃锅炉烟管存在多处裂纹的缺陷，现对裂纹的产生的原因进行分析，并提出了优化措施。

1 锅炉概况

该锅炉型号如图1所示为WNS10-1.25-YC，为典型的三回程湿背式蒸气锅炉，锅炉于1999年12月安装投入运行，注册代码为11303300012002050246、设备使用证号为锅浙OA0246、设备产品编号为WM6。该台锅炉额定出力为10 t/h、额定压力为1.25 MPa、出口温度为193℃、使用燃料为天然气、水处理设备为全自动时间型钠离子软水器,是B级锅炉。

图1 锅炉

2 检验过程

2.1 锅炉资料审查

该锅炉于2022年8月进行锅炉检验，在现场检查时发现该锅炉铭牌清晰可见、安全阀和压力表校验报告完整无缺、运行期间水质化验合格，锅炉使用登记证和作业人员资质完备，锅炉使用管理制度完整且已上墙，锅炉建立完备的事故应急专项预案。

2.2 锅炉外部检验情况

锅炉在外部检验时，设备运行良好，高低水位连锁保护装置正常运动，无异常情况。

2.3 锅炉内部检验情况

锅炉内部检验时，我们对锅炉主要承压部件进行了相应检查，受压元件的外观质量、结垢、结焦、积盐、腐蚀、磨损、变形等进行了宏观检查，肉眼未发现异常。考虑该锅炉使用年限较长，为提高检验的精准性，我们对锅炉管板烟管采用了渗透检测。

渗透检测技术是一种以毛细管作用原理为基础的无损检测技术，主要用于检测非疏孔性的金属或非金属零部件的表面开口缺陷。

通过渗透检验发现，该锅炉后烟箱回燃室高温区内烟管端部116根烟管中有52处可见细小纵向裂纹，如图2所示，出现裂纹的烟管数量过半。其中部分裂纹已经通过角焊缝延伸至管板，如图3所示。在部分烟管口，清晰可见地一条裂纹延展出来，如图4所示。

图2 烟管管口出现纵向裂纹情况

图3 裂纹穿透焊缝向管板延伸情况

图4 裂纹穿透焊缝向管板延伸情况

3 裂纹产生的原因分析

该锅炉是锅壳式三回程湿背式燃气锅炉。锅炉运行时，燃料经燃烧器雾化后，形成的火炬充满在全波形炉胆内，并通过炉胆壁传递辐射热，此为第一回程。燃烧产生的高温烟气在回燃室内汇聚，转向进入第二回程，即螺纹烟管管束区，经对流换热后，烟气温度逐渐降低后至前烟箱，并在此转向进入第三回程，即光管管束区，随后经后烟箱进入烟囱，最后排入大气。

故此产生裂纹的原因如下;

原因一，管端角焊缝部位热应力大，烟管和管板受热不均匀，管端烟气入口处热负荷最大，会因为受热膨胀不均，在角焊缝连接部位产生很大的热应力。

原因二，烟管与管板角焊缝应力集中，在制造或修理过程中，由于工艺的限制，造成局部应力集中，而存在很大的焊接残余应力。

焊接残余应力是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初应力，在构件服役过程中，和其他所受荷载引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，不但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力

在锅炉启动、运行和停止过程中，承压部件除承受介质的工作压力外，还会因不同部件的热膨胀变形量不同，烟管与管板的角焊缝部位承受不同的拉伸、压缩和剪切作用。锅炉运行中应力幅度的频繁变化和应力集中，促使烟管与管板的角焊缝成为焊接结构的薄弱点。

原因三，高温烟区内承压部件，因为管口壁处的热负荷高，锅水温度高，水中的碳酸盐硬度物质的溶解度下降，容易沉淀析出，附着在金属壁面而形成水垢会大大恶化锅水对金属壁面的冷却效果，导致受热面壁升高，力学性能下降。

原因四，闭塞区内的热疲劳失效，烟管与管板焊接前的预胀不充分或不预胀时，管子外壁和管孔壁间就会不同程度存在一定的间隙。由于此间隙的存在会造成局部金属过热，再加上角焊缝根部应力集中，就可能在角焊缝根部或热影响区产生裂纹，严重时裂纹可能扩展到角焊缝外表面，甚至延伸到管板上。

原因五，腐蚀疲劳加速裂纹的扩展，锅炉运行时，微裂纹在交变热应力和裂纹尖端的阳极溶解过程的共同作用下，会不断扩展。

4 优化措施

（1）按TSG 11-2020《锅炉安全技术规程》的要求对WNS系列锅炉进行一二回程重点承压部分进行检测，加对易产生裂纹区的重点检验；

（2）根据锅炉设计文件和TSG 11-2020《锅炉安全技术规程》的要求，对局管内同类锅炉设备受压元件的连接，管孔布置，管道材料选用，焊缝布置以及胀接、热处理，无损检测方法和比例进行监督处理，保证在用锅炉的安全运行；

（3）建议提供我局该类产品的的厂家对WNS系列锅炉进行型式试验，测试一回程管板受热受压情况，对不同使用年限的WNS锅炉进行安全评估，把握锅炉的使用寿命和使用情况，预测该系列锅炉的焊缝情况，预测裂纹的发展情况，及时对锅炉进行检验和维修，提高锅炉检验的科学性，提高锅炉使用的安全性；

（4）发现缺陷后，应协同专业生产厂家，锅炉安装单位，锅炉使用单位及安监部门共同商讨，解决处理好问题的同时，形成对锅炉产生缺陷原因分析，结合锅炉的使用现状，给出锅炉的维修维护保养意见和建议。

5 结束语

对常见典型的锅炉进行检验时，应结合实际情况采用先进的检验方法，对锅炉所用材料和锅炉所处环境进行科学的分析，了解锅炉裂纹发生常见区，了解裂纹发展的趋势，初步判断常见锅炉的裂纹发展位置和裂纹发生机理，然后采取合理的优化措施，从而减少锅炉在运行使用过程中的裂纹发生，避免重大锅炉安全事故，并延长锅炉的使用寿命。