河南太康鍋爐有限公司始終堅(jiān)持”誠信為本、質(zhì)量至上“理念，行業(yè)健康發(fā)展。本著合作互惠互利的發(fā)展理念，愿與新老朋友們一起，共同奔向美好未來! 生物質(zhì)蒸汽鍋爐工作原理：生物質(zhì)蒸汽鍋爐兩側(cè)布置水冷壁構(gòu)成爐膛及燃?xì)鉄崴仩t對流煙道，蒸汽鍋爐鍋筒內(nèi)布置有單回程螺紋煙管。爐膛內(nèi)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(zhì)燃料的燃燒。采用大塊式鏈條爐排實(shí)現(xiàn)機(jī)械式燃燒。配鼓引風(fēng)機(jī)進(jìn)行燃?xì)鉄崴仩t機(jī)械通風(fēng)，并配以出渣機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械出渣，控制監(jiān)測儀表齊全。

摘 要:某承壓蒸汽鍋爐檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)其煙管端頭處出現(xiàn)大量裂紋,采用宏觀觀察、掃描電鏡分 析,以及熱力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核對煙管開裂原因進(jìn)行了分析結(jié)果表明燃?xì)鉄崴仩t:煙管端頭部位溫度過高 導(dǎo)致熱疲勞開裂;鍋爐結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的設(shè)計(jì)問題,鍋爐爐膽長度太短,燃燒器與爐膛實(shí)際結(jié)構(gòu)不匹 配,造成回燃室和煙管端頭位置溫度過高。

關(guān)鍵詞:煙管;熱力計(jì)算;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核;疲勞裂紋中圖燃?xì)鉄崴仩t分類號(hào):TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):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?xì)庹羝仩t(以下簡稱蒸汽爐)。

該燃?xì)鉄崴仩t蒸 汽爐自投入使用以來,采取“一備一用”的方式交替 使用,運(yùn)行約600d后對鍋爐進(jìn)行檢修,發(fā)現(xiàn)鍋爐煙 管端頭處出現(xiàn)大量裂紋該蒸汽爐在投入使用一年多時(shí),出現(xiàn)過防爆門 過燒和煙室孔圈燒穿現(xiàn)象,采用重新砌筑燃?xì)鉄崴仩t耐火墻,將 防爆門改為檢查門的方式進(jìn)行了處置。

該蒸汽爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸及材料為: 額定蒸發(fā)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?xì)鉄崴仩t 驗(yàn) 壓 力 為 1.65 MPa;計(jì) 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?xì)鉄崴仩t 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?xì)鉄崴仩tmm×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?xì)鉄崴仩t進(jìn)行了理化檢驗(yàn)以及熱力計(jì) 算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核分析1 理化檢驗(yàn)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(kuò)展到角焊縫位置,裂紋透過角燃?xì)鉄崴仩t焊縫擴(kuò)展 至管板管孔內(nèi)。

現(xiàn)場實(shí)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?xì)鉄崴仩t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?xì)鉄崴仩t 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?xì)鉄崴仩t(SEM)分析將斷口清洗后,用掃描電鏡觀察斷口的微觀形 貌,發(fā)現(xiàn)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(nèi)表面向外表 面擴(kuò)展;斷口上有二次裂紋和弧形線,二次裂紋是從 煙燃?xì)鉄崴仩t管端頭部位產(chǎn)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(jù) 斷口的特點(diǎn),可以推斷斷裂形式為高溫?zé)崞陂_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?xì)鉄崴仩t條裂紋,內(nèi)表面裂紋數(shù)量比 外表面裂紋數(shù)量多。

將橫截面分為 A~D4個(gè)區(qū)域,4個(gè)區(qū)域的顯微 組織形貌如圖5所示A 區(qū)顯微組織為鐵素體和3 級球化珠光體[見圖5a)];B 區(qū)顯微組織與 A 區(qū)相 同,珠光燃?xì)鉄崴仩t體球化程度達(dá)到3級[見圖5b)];C 區(qū)的顯 微組織中出現(xiàn)少量的魏氏組織[見圖5c)];D 區(qū)的 顯微組織為粗大的4級魏氏組織[見圖5d)]。

2 熱力計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核分析按照相關(guān)文獻(xiàn)[1-2]和標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)鉄崴仩t TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對蒸汽爐進(jìn)行熱力計(jì)算和 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核,同時(shí)對蒸汽爐現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分別按照蒸 發(fā)量15t/h和10t/h進(jìn)行校核,關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算結(jié) 果如表1所示。

對表1的燃?xì)鉄崴仩t熱力計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,得出結(jié) 果如下所述(1)按照蒸汽量15t/h能力設(shè)計(jì),制造單位生 產(chǎn)的蒸汽爐在結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)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?xì)鉄崴仩t6.2 m。

WNS15-1.25-Q 型鍋爐為定型鍋爐,國內(nèi)多家鍋爐 廠都生產(chǎn)該型號(hào)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(jié)燃?xì)鉄崴仩t構(gòu)尺寸均比國內(nèi)同 型號(hào)鍋爐的尺寸小。

(2)蒸汽爐按照15t/h的天然氣量運(yùn)行,爐膽 長度按照 現(xiàn) 有 實(shí) 際 長 度 計(jì) 算,回 燃 室 溫 度 可 達(dá) 到 1350 ℃左右;三回程出口溫度超過300燃?xì)鉄崴仩t ℃,高于設(shè) 計(jì)的額定溫度;火焰長度達(dá)5.93 m,直接穿透鍋爐 后側(cè)。

在查驗(yàn)維修記錄時(shí),發(fā)現(xiàn)有設(shè)備在投產(chǎn)一年 后,防爆門出現(xiàn)燒紅及孔圈燒穿現(xiàn)象,說明設(shè)備運(yùn)行 過程中火 焰 已 經(jīng) 到 達(dá) 防 爆 門燃?xì)鉄崴仩t 處,火 焰 溫 度 約 達(dá) 到 1400℃(3)按照蒸汽爐的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行校核計(jì)算,該 爐按10t/h爐參數(shù)運(yùn)行勉強(qiáng)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?xì)鉄崴仩t900Nm 3/h,基本相當(dāng)于10t/h爐 參數(shù)運(yùn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問題,即爐 膽尺寸過短雖然爐體標(biāo)牌是15t/h的蒸汽爐,但燃?xì)鉄崴仩t 實(shí)際總體結(jié)構(gòu)基本屬于10t/h的蒸汽爐結(jié)構(gòu),配備 15t/h的燃燒器,即燃燒室長度與燃燒機(jī)火焰長度 不匹配。

按照15t/h的天然氣量運(yùn)行,必然造成爐 體部件燒壞和安全事故,且浪費(fèi)天然氣原料;10t/燃?xì)鉄崴仩th 蒸汽爐勉強(qiáng)可以在安全情況下運(yùn)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(fā)生了較大變化,使珠光體中的碳化物發(fā)生了球化 燃?xì)鉄崴仩t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(fā)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(chǎn)生脆性開裂燃?xì)鉄崴仩t 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(yīng)力,可促進(jìn)裂紋的形成與擴(kuò)展煙管端頭 在工作載荷和組織轉(zhuǎn)變等應(yīng)力的作用下出現(xiàn)開裂。

熱力計(jì)算證明,該蒸汽爐爐膽長度過小(僅有4m 長)按15t/h能燃?xì)鉄崴仩t力運(yùn)行時(shí),火焰直接燃燒到 回燃室等相關(guān)部位,回燃室溫度高達(dá)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(fā)生了相變。

回燃室管板沒有 絕熱保護(hù),煙管沒有保護(hù)端頭,從而導(dǎo)致燃?xì)鉄崴仩t煙管端頭溫 度過高GB/T16508.4—2013《鍋殼鍋爐 第4部分:制 造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收》和JB/T1619—2002 《鍋殼鍋爐本 體制造技術(shù)條件》規(guī)定:當(dāng)煙溫大于600 ℃時(shí),管子 超出其與管板燃?xì)鉄崴仩t連接焊縫的長度不應(yīng)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(zhuǎn)變帶來的組織應(yīng)力,還有溫度變化的熱應(yīng)力等 作用GB/T16508.3燃?xì)鉄崴仩t—2013《鍋殼鍋爐 第3部分:設(shè) 計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算》規(guī)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(shí)“孔橋應(yīng)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?xì)鉄崴仩t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(yīng)力也是造 成管頭和焊縫部位開裂的另一個(gè)原因。

對失效機(jī)理、熱力計(jì)算燃?xì)鉄崴仩t與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核結(jié)果進(jìn) 行綜合分析,可以得出蒸汽鍋爐結(jié)構(gòu)不合理是該蒸 汽爐煙管開裂的原因4 結(jié)語(1)煙管端頭在高溫環(huán)境的作用下產(chǎn)生高溫?zé)?疲勞開裂(2)回燃室的管板和煙管端頭等均沒有設(shè)置絕 熱保護(hù),造燃?xì)鉄崴仩t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(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重問題,爐膽長度尺寸過小,燃燒器與爐 膛實(shí)際結(jié)構(gòu)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?xì)鉄崴仩t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。

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生物質(zhì)蒸汽鍋爐特點(diǎn)：燃?xì)鉄崴仩t1、采用合理送料系統(tǒng)，進(jìn)料均勻性好，與負(fù)荷追蹤性好，自動(dòng)化水平高；2、采用合理的燃燒設(shè)備，設(shè)計(jì)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(dòng)燃?xì)鉄崴仩t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(wù)”的企業(yè)文化為底蘊(yùn)，以“客戶至上、盡善盡美”燃?xì)鉄崴仩t為服務(wù)宗旨，與各界朋友廣泛合作，攜手共進(jìn)，共創(chuàng)美好未來。