浅析锅壳式蒸汽锅炉管板裂纹漏水原因
摘要通过对锅壳式蒸汽锅炉管板出现裂纹漏水情况的调查研究,从结垢、局部应力集中和运行工况的波动性等几个方面分析裂纹产生原因,以便该类型锅炉在设计、制造、检验及使用等环节有效地加以改进措施,保证设备的安全运行。
关键词结垢;应力集中;运行工况的波动性
锅壳式水管锅炉具有结构紧凑、制造简单、整理出厂等特点。新型锅炉式锅炉采用如拱管板、螺纹烟管、翼型烟道等多项新技术,具有热效率高、煤种适应性强,刚耗量低等优点,在全国得到了大范围推广应用。这种结构的蒸汽锅炉运行比较安全稳定,但由于制造工艺、运行管理等方面的原因,部分在用锅炉出现管板裂纹、烟管管端漏水等问题。本文通过对某单位新型锅壳式蒸汽锅炉前管板裂纹、烟管管端裂纹漏水问题的分析,阐述了产生裂纹的原因,以期引起相关单位的重视。
1举例
2008年某单位由于生产需要购进壹台DZL4-1.0-AII锅壳式蒸汽锅炉,该锅炉2007年6月制造。2009年锅炉进行内部检验发现前管板管束区及烟管前部水侧结垢3-4mm;16根烟管管端出现裂纹漏水,表面探伤检测发现前管板有6处管板裂纹。
2案例情况调查
该台锅炉为生活用锅炉,每天间歇式运行三次,运行时间合计约8小时。运行工况下最高工作压力为0.80MPa,水处理采用炉外化学处理(钠离子交换器),经取样化验,软化水硬度2.63mmol/L,pH值为7;锅水碱度5.06mmol/L,pH值为7。锅炉前管板板厚16mm,材质20g,烟管规格为φ57×3.5,材质20#无缝钢管。
3原因分析
通过调查分析,造成前管板裂纹,烟管管端裂纹漏水的原因有以下几个方面:
1)结垢严重导致传热恶化。根据现场取样的化验分析,该单位水质管理不正常,软化水硬度长期超标。尤其是前管板管束区,虽然经过化学清洗,但局部区域残余水垢仍厚达3-4mm,为碳酸盐水垢。由于水垢的导热性能很差,其导热系数仅为钢板的1/10-1/100。造成前管板特别是管孔与烟管连接处的导热性能急剧恶化,金属温度升高,强度下降。
2)管孔处管板热负荷导致局部应力集中。从锅炉结构上分析,锅壳式锅炉由于采用翼型烟道布置,烟管变为单回程,从翼型烟道流出的高温烟气进入前烟箱,使前管板成为高温区。该处的烟气虽然经过炉膛水冷壁管及翼型烟道中的对流管束,
但烟温仍然在高温900℃左右。根据该锅炉热力计算分析:在转烟室的烟温为900℃,烟气进入烟管的重量流速为11kg/(m2.s),锅内工质饱和温度为188℃时,烟管入口处的放热系数是稳定流放热系数的2.9倍,是辐射放热系数的1.56倍。可见管孔处管板的实际热负荷是整个管板热负荷最大之处。
3)运行工况的波动性促进了裂纹的发生和发展。根据锅炉运行情况的调查,该锅炉的运行工况不稳定,启停频繁,压力波动较大。由于温度变化产生的温度交变应力和压力频繁变化产生的交变压力,使应力集中的烟管与管板的连接焊缝处产生的裂纹不断扩展,在较少的循环次数下,就可能造成管板的疲劳破环并最终导致开裂漏水的发生。
4)“入口效应”的影响始管板上管孔处的热负荷最大。从锅炉结构上分析,新型锅炉式锅炉由于采用翼型烟道布置,烟道变为单回程,从翼型烟道流出的高温烟气进入前烟箱,使前管板成为高温区。该处的烟气虽然经过炉腔冷壁管及翼型烟道中的对流管束,但烟温仍然在750-900℃之间。但、由于“入口效应”的影响,管孔周围的管板和烟管端部接受的热量是辐射和对流两部分的叠加。根据BS2790:1986附录C《管道温度计算》中的实例分析:在转烟室的烟温为900℃,烟气进入烟管的重量流速为11kg/(m2.s),锅内工质饱和温度为188℃时,烟管入口处的放热系数是稳定流放系数的2.9倍,是辐射放热系数的1.56倍。可见,管孔处管板的实际热负荷是整个管板热负荷最大之处。检验中发现,虽然进行了化学清洗,但前管板和烟管前部较多的残存水垢正好在烟管和管板的交界周围,也证明了管孔壁处的蒸发强度最大、热负荷最高。
4修复及改进措施
1)由于裂纹分布密集,挖补前管板,并经100%射线探伤检测合格,更换全部烟管,水压试验合格。
2)彻底清除残余水垢,运行中加强水质管理,定期煮炉,定期检查钠离子交换器,使水质符合GB1576-2008《工业锅炉水质》标准的要求。
3)搞好锅炉的运行管理,锅炉运行时要控制过量空气系数,尽量降低前烟箱处的烟气流速,减小管孔处管板的局部热负荷量。采取合理的锅炉运行方式,避免锅炉频繁启停和压力频繁波动。
4)为减少前管板处的“入口效应”,在管板外壁敷上适当的隔热层。
参考文献
[1]林宗虎,徐通模.实用锅炉手册,北京:化学工业出版社,1999.
[2]中华人民共和国劳动部,蒸汽锅炉安全技术监察规程,中国锅炉压力容器安全杂志社,1996.
[3]陈学俊,陈昕宽.锅炉原理,西安交通大学出版社,1996.
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