工业锅炉防焦箱裂纹原因分析及对策

(如东县锅炉压力容器检验所 顾剑)

关键词：裂纹 负荷 分析 措施

　　一九九九年三月，我县某使用单位一台SZL10-1.27工业锅炉在运行过程中，操作工发现炉膛内有白色蒸汽出现，紧急停炉后，经检查发现，左侧防焦箱出现裂纹渗漏。由于该厂生产任务较紧张，在事故原因未调查清楚的情况下，对该防焦箱前段作更换修理，修复后迅速投入生产。二000年五月，该炉右侧防焦箱又发生同样的事故，又同样因为生产刻不容缓，用同样的方法修理右侧防焦箱后继续投入运行。二00一年七月，该炉左侧防焦箱又发生裂纹穿透而渗漏，和上两次事故惊人地相似。同样的情况、同样的位置，连续不断地发生事故，给该厂造成了较大的经济损失。为切实消除事故隐患，避免事故的重复发生，本人对该事故进行了调查分析，现将有关情况介绍如下，供同行们参考。

一、事故概况

　　该炉为双横锅筒链条炉排散装水管锅炉，一九九五年九月制造，一九九六年五月投入运行，额定蒸发量为10t/h，使用压力为1.0MPa，防焦箱材质为20号无缝钢管，规格为φ159×8mm；裂纹中心（如图1所示）距第一根水冷壁管约682mm，裂纹呈环向（如图2所示）分布在防焦箱外表面向火侧，裂纹区域长600mm，宽60mm。裂纹中心上方开有一400×400mm拨火炉门。

二、检验情况

1、表面检查：外观检验发现，裂纹为环向裂纹，单根裂纹长度在20-60mm之间，裂纹较密集；防焦箱外表面向火侧裂纹区域呈红褐色，用检验锤敲击后，金属出现黑色，怀疑有石墨化倾象。对防焦箱裂纹段割开检查发现，裂纹区域内表面基本无水垢，而非裂纹区域有轻微的小于0.3mm的水垢。两区域有肉眼能发现的明显区别。

2、化学成份分析：对防焦箱材质取样进行化学成份分析，非裂纹区防焦箱材质化学成份完全合格，可以排除材质不合格因素。

3、初步结论：检验员外观检验后认为，裂纹区域有明显过热疲劳的倾向。

三、原因分析

1、裂纹性质：裂纹初步确定为穿晶裂纹，肉眼明显地可以看到，每条裂纹细而尖，大小不一，应为热疲劳裂纹。

2、裂纹产生的原因：热疲劳裂纹是在金属材料低于拉伸应力极限时，由于温度的变化而形成的热交变应力的反复作用下，缓慢产生的扩展裂纹。受压元件受到火焰的加热，由于内部介质密度或位置的变化，使金属的温度发生交替变化，金属也就交替地膨胀或收缩，在金属内部就会引起交变应力。在这种交变应力的作用下，引起塑性变形的积累损伤，而产生疲劳裂纹，这种疲劳裂纹处在高温下，金属的强度低，其应力振幅一般超过屈服极限，每次循环产生的局部塑性变形较大。这样，只经过较少的循环次数后，就会萌生热疲劳裂纹。由于所处高温条件，周围要受到介质的影响，所以不产生象普通机械疲劳那样典型的单条裂纹，而象该防焦箱所见到的一些平行排列、与热应力方向垂直的裂纹，也就是说，在该部位受到温差应力引起疲劳裂纹。

3、汽水分层的影响：防焦箱裂纹区域位于炉膛的幅射高温区，防焦箱向火侧的运行温度为290℃左右，防焦箱内介质为循环水。虽然一侧受炉膛火焰加热，但由于防焦箱内有循环水流动，本不应有大的温差。但我们从防焦箱裂纹区域发现，裂纹区明显过热，割开检查发现，防焦箱内表面裂纹区域无水垢，而非裂纹区有轻微的水垢，且两区域颜色不同，有明显区别，可以初步得出结论，出现了汽水分层。

4、环境影响因素：锅炉两侧防焦箱裂纹中心上部均开有400×400mm的拨火炉门，炉门开启拨火时会有冷空气进入，同时炉门有关闭不严密的现象，在运行的过程中，可能时有冷空气进入，防焦箱该区域有少许温差，不排除出现疲劳的可能，但这种温差作用是很微小的，不可能在两三年内使防焦箱出现严重裂纹。因此认定，这不是事故的主要原因。

5、水循环回路的影响：锅炉的自然循环回路设计应为合理，该防焦箱下降管与水冷壁管的截面积之比为41%，如图3所示。

 

工质的流动如图4所示，防焦箱中的工质为密度较大的水，水冷壁管因受炉膛高温幅射热的作用，水冷壁管中的工质为密度较小的汽水混合物，利用工质的密度差进行循环流动。在对防焦箱的检查中发现，汽水分层的蒸汽层出现在防焦箱的向火侧。

6、负荷的影响： 据了解，由于该厂生产任务比较紧，该炉经常是满负荷运行，有时甚至超负荷，所用煤质有的挥发分含量比较高。炉膛内炉门位置，是挥发份的主燃烧区，又是烟气扰动的主混合区，温度高，当锅炉高负荷运行时，该区域受热强度大，工况有所恶化。

7 、综合分析：锅炉防焦箱前端第一根下降管与水冷壁管距离较远，水循环流速慢，在高负荷或低负荷时，其间易产生水循环不良。当锅炉工况恶化时，防焦箱前端水循环不畅，水的流动不正常，有时甚至产生水循环停滞，使防焦箱前端吸收的热量不能及时地传递给内部的介质，造成防焦箱前端的内部介质局部汽化，形成汽水分层。汽化层的形状和位置与防焦箱各部分受热程度以及下降管中水循环阻力有关系，同时汽化层的厚度又随着负荷的变化而变化，因而该防焦箱汽化层呈不规则椭圆形，并分布在向火侧。随着介质的缓慢流动和锅炉运行工况的变化，防焦箱前端的管壁（裂纹区域）受到汽水交替接触，而形成壁温的交替变化，并随工况的恶化程度而变化，这个过程多次重复，使防焦箱受到疲劳应力，进而形成穿透性裂纹。

四、防止措施

1、合理匹配负荷：合理调节好锅炉负荷，对锅炉的使用有较大的影响，在生产任务紧张的情况下，启用其它备用炉，而不是满负荷地使用某一台锅炉，应保持锅炉负荷在70-80%之间，以达到高效率。

2、合理调节好锅炉的燃烧工况。当锅炉负荷变动时，首先需调节送风量，紧接再调节燃料量，只有两者配合适当，才能获得正常的燃烧工况；燃料应在离煤闸门0.3m处着火，并在挡渣设备前0.3-0.5m处基本结束燃烧。对于高挥发分煤采用薄煤层，快送煤方式，对低挥发份煤，采用厚煤层，慢送煤方式。

3、采取局部保温措施。为保护防焦箱，加强水循环，将防焦箱前端，（如图5所示-俯视）向火侧部分用耐火混凝土保温，使防焦箱该部位工质受热变小，工质密度变大，与水冷壁内工质的密度差增大，提高水循环流速；同时水循环加快，防焦箱的保温与未保温部分之间的温差减小，有效地保护了防焦箱。使用时，应定期清理紧贴火床的侧墙部位粘结的渣瘤，保证燃烧平稳进行。