河南太康鍋爐有限公司始終堅持”誠信為本、質量至上“理念，行業健康發展。本著合作互惠互利的發展理念，愿與新老朋友們一起，共同奔向美好未來! 生物質蒸汽鍋爐工作原理：生物質蒸汽鍋爐兩側布置水冷壁構成爐膛及燃氣熱水鍋爐對流煙道，蒸汽鍋爐鍋筒內布置有單回程螺紋煙管。爐膛內采用水冷整澆的前拱、后拱。前拱為階梯形，后拱為人字形，使拱的覆蓋率接近85，有利于生物質燃料的燃燒。采用大塊式鏈條爐排實現機械式燃燒。配鼓引風機進行燃氣熱水鍋爐機械通風，并配以出渣機實現機械出渣，控制監測儀表齊全。

摘 要:某承壓蒸汽鍋爐檢修時發現其煙管端頭處出現大量裂紋,采用宏觀觀察、掃描電鏡分 析,以及熱力計算和結構設計校核對煙管開裂原因進行了分析結果表明燃氣熱水鍋爐:煙管端頭部位溫度過高 導致熱疲勞開裂;鍋爐結構存在嚴重的設計問題,鍋爐爐膽長度太短,燃燒器與爐膛實際結構不匹 配,造成回燃室和煙管端頭位置溫度過高。

關鍵詞:煙管;熱力計算;結構設計校核;疲勞裂紋中圖燃氣熱水鍋爐分類號:TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)06-0054-04某藥廠購置的 WNS15-1.25-Q 型鍋爐為典型的 臥式三回程燃氣蒸汽鍋爐(以下簡稱蒸汽爐)。

該燃氣熱水鍋爐蒸 汽爐自投入使用以來,采取“一備一用”的方式交替 使用,運行約600d后對鍋爐進行檢修,發現鍋爐煙 管端頭處出現大量裂紋該蒸汽爐在投入使用一年多時,出現過防爆門 過燒和煙室孔圈燒穿現象,采用重新砌筑燃氣熱水鍋爐耐火墻,將 防爆門改為檢查門的方式進行了處置。

該蒸汽爐的主要設計參數、結構尺寸及材料為: 額定蒸發量為15t/h;額定蒸汽壓力為1.25 MPa; 額定蒸汽溫度為194 ℃;給水溫度為20 ℃;耐壓試燃氣熱水鍋爐 驗 壓 力 為 1.65 MPa;計 算 天 然 氣 消 耗 量 為 1293Nm 3/h。

波 形 爐 膽 尺 寸 為 1 200 mm × 18mm(外徑×壁厚),L2(爐膽長度)為4070mm,燃氣熱水鍋爐 材 料 為 Q245R 鋼;回 燃 室 (燃 盡 室 )尺 寸 為 2000mm×18mm(外徑×壁厚),L3(鍋爐回燃室 長度)為650mm,材料為 Q245R 鋼;回燃室后管板 尺寸為 2000燃氣熱水鍋爐mm×18mm(外徑 × 壁 厚),材 料 為 Q245R 鋼;蒸 汽 爐 外 形 尺 寸 (長 × 寬 × 高 )為 6.65m×2.76m×3.23 m 。

為查明該蒸汽爐煙管 開裂的原因,筆者對其燃氣熱水鍋爐進行了理化檢驗以及熱力計 算和結構設計校核分析1 理化檢驗1.1 宏觀觀察蒸汽爐煙管端頭宏觀形貌如圖1所示,由圖1 可以看出,煙管管端部位有軸向穿透裂紋,裂紋從管 端沿軸向擴展到角焊縫位置,裂紋透過角燃氣熱水鍋爐焊縫擴展 至管板管孔內。

現場實際測量得到:管頭伸出管板 長度(管端至管板面距離)I 為10~13mm;管子與 管板焊腳高度l1 為3~4mm;管子超出其與管板連 接焊縫的長度l2 為6~10 mm;焊燃氣熱水鍋爐腳寬度(徑向尺寸)l3 為4~5mm;管子中心距h 為80 mm,管橋 h1 為10mm;管端穿透(管壁)裂紋長度a1 為15~ 20mm;角 焊 縫 上 裂 紋 (沿 徑 向)長 度 a2 為 3~燃氣熱水鍋爐 5mm。

打開鳳凰新聞，查看更多高清圖片煙管端頭斷裂成兩部分,在端面可觀察到深度 不等的7條裂紋,且裂紋均穿透壁厚(見圖2)。圖2 中箭頭所指部位表面有氧化皮和裂紋,并且氧化皮 較厚。

1.2 掃描電鏡燃氣熱水鍋爐(SEM)分析將斷口清洗后,用掃描電鏡觀察斷口的微觀形 貌,發現斷口仍存在較多的氧化皮,煙管斷口的微觀 形貌如圖3所示由圖3可知:裂紋從內表面向外表 面擴展;斷口上有二次裂紋和弧形線,二次裂紋是從 煙燃氣熱水鍋爐管端頭部位產生的;斷口上有較厚且致密的氧化 皮;靠近管板焊縫位置的斷口上存在二次裂紋。

根據 斷口的特點,可以推斷斷裂形式為高溫熱疲勞開裂

煙管端頭橫截面微觀形貌如圖4所示,由圖4 可知:煙管端頭部位有多燃氣熱水鍋爐條裂紋,內表面裂紋數量比 外表面裂紋數量多。

將橫截面分為 A~D4個區域,4個區域的顯微 組織形貌如圖5所示A 區顯微組織為鐵素體和3 級球化珠光體[見圖5a)];B 區顯微組織與 A 區相 同,珠光燃氣熱水鍋爐體球化程度達到3級[見圖5b)];C 區的顯 微組織中出現少量的魏氏組織[見圖5c)];D 區的 顯微組織為粗大的4級魏氏組織[見圖5d)]。

2 熱力計算與結構設計校核分析按照相關文獻[1-2]和標準燃氣熱水鍋爐 TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》對蒸汽爐進行熱力計算和 結構設計校核,同時對蒸汽爐現有結構分別按照蒸 發量15t/h和10t/h進行校核,關鍵參數的計算結 果如表1所示。

對表1的燃氣熱水鍋爐熱力計算數據進行對比分析,得出結 果如下所述(1)按照蒸汽量15t/h能力設計,制造單位生 產的蒸汽爐在結構上存在嚴重問題表1中15t/h 蒸汽爐的爐 膽 直 徑 為 1.4 m,爐 膽 長 度 為 燃氣熱水鍋爐6.2 m。

WNS15-1.25-Q 型鍋爐為定型鍋爐,國內多家鍋爐 廠都生產該型號鍋爐,爐膽直徑均為1.4m,爐膽長 度均大于6 m該次事故的蒸汽爐爐膽直徑僅為 1.2m,長度僅有4.07m,總體結燃氣熱水鍋爐構尺寸均比國內同 型號鍋爐的尺寸小。

(2)蒸汽爐按照15t/h的天然氣量運行,爐膽 長度按照 現 有 實 際 長 度 計 算,回 燃 室 溫 度 可 達 到 1350 ℃左右;三回程出口溫度超過300燃氣熱水鍋爐 ℃,高于設 計的額定溫度;火焰長度達5.93 m,直接穿透鍋爐 后側。

在查驗維修記錄時,發現有設備在投產一年 后,防爆門出現燒紅及孔圈燒穿現象,說明設備運行 過程中火 焰 已 經 到 達 防 爆 門燃氣熱水鍋爐 處,火 焰 溫 度 約 達 到 1400℃(3)按照蒸汽爐的結構尺寸進行校核計算,該 爐按10t/h爐參數運行勉強符合要求,但爐膽長度 不夠,回燃室溫度和排煙溫度均偏高。

如果天然氣 消耗量為800~燃氣熱水鍋爐900Nm 3/h,基本相當于10t/h爐 參數運行如果天然氣流量超過850Nm 3/h,鍋爐 仍存在安全隱患綜上所述,蒸汽爐原始結構設計存在問題,即爐 膽尺寸過短雖然爐體標牌是15t/h的蒸汽爐,但燃氣熱水鍋爐 實際總體結構基本屬于10t/h的蒸汽爐結構,配備 15t/h的燃燒器,即燃燒室長度與燃燒機火焰長度 不匹配。

按照15t/h的天然氣量運行,必然造成爐 體部件燒壞和安全事故,且浪費天然氣原料;10t/燃氣熱水鍋爐h 蒸汽爐勉強可以在安全情況下運行,但仍存在安全 隱患3 綜合分析煙管斷面的顯微組織是鐵素體、球化3級珠光 體和魏氏組織,顯微組織的變化說明煙管端頭溫度 發生了較大變化,使珠光體中的碳化物發生了球化 燃氣熱水鍋爐分解;魏氏組織的形成說明了煙管的端頭部位溫度 較高,約在1100℃以上,顯微組織發生相變。

魏氏 組織可降低材料的韌性斷口周圍沒有任何塑性變形,斷口上有較厚的 氧化皮和二次裂紋,說明在高溫下產生脆性開裂燃氣熱水鍋爐 煙管端頭形成的魏氏組織降低了材料的韌性,增加 了組織應力,可促進裂紋的形成與擴展煙管端頭 在工作載荷和組織轉變等應力的作用下出現開裂。

熱力計算證明,該蒸汽爐爐膽長度過小(僅有4m 長)按15t/h能燃氣熱水鍋爐力運行時,火焰直接燃燒到 回燃室等相關部位,回燃室溫度高達1400 ℃煙 管端頭形成的魏氏組織證明了煙管端頭的溫度較 高,說明是煙管端頭發生了相變。

回燃室管板沒有 絕熱保護,煙管沒有保護端頭,從而導致燃氣熱水鍋爐煙管端頭溫 度過高GB/T16508.4—2013《鍋殼鍋爐 第4部分:制 造、檢驗與驗收》和JB/T1619—2002 《鍋殼鍋爐本 體制造技術條件》規定:當煙溫大于600 ℃時,管子 超出其與管板燃氣熱水鍋爐連接焊縫的長度不應大于1.5 mm。

該爐的管子與管板連接焊縫的長度超過6mm火 焰直接燃燒管頭,使管頭溫度升高,管頭不僅承受組 織轉變帶來的組織應力,還有溫度變化的熱應力等 作用GB/T16508.3燃氣熱水鍋爐—2013《鍋殼鍋爐 第3部分:設 計與強度計算》規定:相鄰焊接管孔焊縫邊緣的凈間 距不宜小于6mm;管子與管板焊接時“孔橋應使相 鄰焊縫邊緣的凈距離不小于6mm”。

該爐的管子 中心距為80mm,管橋燃氣熱水鍋爐為10 mm;焊腳寬度為4~ 5mm相鄰 焊 接 管 孔 焊 縫 邊 緣 的 凈 間 距 幾 乎 為 0mm管頭焊縫存在較大的焊接殘余應力也是造 成管頭和焊縫部位開裂的另一個原因。

對失效機理、熱力計算燃氣熱水鍋爐與結構設計校核結果進 行綜合分析,可以得出蒸汽鍋爐結構不合理是該蒸 汽爐煙管開裂的原因4 結語(1)煙管端頭在高溫環境的作用下產生高溫熱 疲勞開裂(2)回燃室的管板和煙管端頭等均沒有設置絕 熱保護,造燃氣熱水鍋爐成煙管端頭溫度過高。

(3)該蒸汽爐煙管開裂的主要原因是鍋爐結構 設計存在嚴重問題,爐膽長度尺寸過小,燃燒器與爐 膛實際結構不匹配,均造成回燃室溫度過高,火焰直 接燃燒管板和煙管端頭,使端頭位置的溫度過燃氣熱水鍋爐高(4)鍋爐煙管端頭伸出管板過長、管間距過小、 煙管端頭不整齊等加速了煙管端部開裂。

參考文獻:[1] 工業鍋爐設計計算方法編委會.工業鍋爐設計計算方 法[M].北京:中國標準出版社,2005.[2] 燃氣熱水鍋爐馮俊凱.鍋爐 原 理 及 計 算 [M].北 京:科 學 出 版 社, 2003. 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 6期 (pp:54-57)>

生物質蒸汽鍋爐特點：燃氣熱水鍋爐1、采用合理送料系統，進料均勻性好，與負荷追蹤性好，自動化水平高；2、采用合理的燃燒設備，設計層燃，懸浮燃燒或者層燃混懸浮燃燒的方式，確保燃料充分燃燒并燃燼；3、合理布置受熱面，組織成充分的燃燒空氣動燃氣熱水鍋爐力場，解決了燃燒不充分和尾部受熱面易腐蝕問題；4、選擇合理的爐膛出口煙溫及對流受熱面煙氣流速，減少鍋爐積灰或磨損。河南省太康鍋爐有限公司以“誠信、**、服務”的企業文化為底蘊，以“客戶至上、盡善盡美”燃氣熱水鍋爐為服務宗旨，與各界朋友廣泛合作，攜手共進，共創美好未來。