燃气蒸汽锅炉（分享：承压蒸汽锅炉烟管开裂原因）

河南太康锅炉有限公司始终坚持”诚信为本、质量至上“理念，行业健康发展。本着合作互惠互利的发展理念，愿与新老朋友们一起，共同奔向美好未来! 生物质蒸汽锅炉工作原理：生物质蒸汽锅炉两侧布置水冷壁构成炉膛及燃气热水锅炉对流烟道，蒸汽锅炉锅筒内布置有单回程螺纹烟管。炉膛内采用水冷整浇的前拱、后拱。前拱为阶梯形，后拱为人字形，使拱的覆盖率接近85，有利于生物质燃料的燃烧。采用大块式链条炉排实现机械式燃烧。配鼓引风机进行燃气热水锅炉机械通风，并配以出渣机实现机械出渣，控制监测仪表齐全。

摘 要:某承压蒸汽锅炉检修时发现其烟管端头处出现大量裂纹,采用宏观观察、扫描电镜分 析,以及热力计算和结构设计校核对烟管开裂原因进行了分析结果表明燃气热水锅炉:烟管端头部位温度过高 导致热疲劳开裂;锅炉结构存在严重的设计问题,锅炉炉胆长度太短,燃烧器与炉膛实际结构不匹 配,造成回燃室和烟管端头位置温度过高。

关键词:烟管;热力计算;结构设计校核;疲劳裂纹中图燃气热水锅炉分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)06-0054-04某药厂购置的 WNS15-1.25-Q 型锅炉为典型的 卧式三回程燃气蒸汽锅炉(以下简称蒸汽炉)。

该燃气热水锅炉蒸 汽炉自投入使用以来,采取“一备一用”的方式交替 使用,运行约600d后对锅炉进行检修,发现锅炉烟 管端头处出现大量裂纹该蒸汽炉在投入使用一年多时,出现过防爆门 过烧和烟室孔圈烧穿现象,采用重新砌筑燃气热水锅炉耐火墙,将 防爆门改为检查门的方式进行了处置。

该蒸汽炉的主要设计参数、结构尺寸及材料为: 额定蒸发量为15t/h;额定蒸汽压力为1.25 MPa; 额定蒸汽温度为194 ℃;给水温度为20 ℃;耐压试燃气热水锅炉 验 压 力 为 1.65 MPa;计 算 天 然 气 消 耗 量 为 1293Nm 3/h。

波 形 炉 胆 尺 寸 为 1 200 mm × 18mm(外径×壁厚),L2(炉胆长度)为4070mm,燃气热水锅炉 材 料 为 Q245R 钢;回 燃 室 (燃 尽 室 )尺 寸 为 2000mm×18mm(外径×壁厚),L3(锅炉回燃室 长度)为650mm,材料为 Q245R 钢;回燃室后管板 尺寸为 2000燃气热水锅炉mm×18mm(外径 × 壁 厚),材 料 为 Q245R 钢;蒸 汽 炉 外 形 尺 寸 (长 × 宽 × 高 )为 6.65m×2.76m×3.23 m 。

为查明该蒸汽炉烟管 开裂的原因,笔者对其燃气热水锅炉进行了理化检验以及热力计 算和结构设计校核分析1 理化检验1.1 宏观观察蒸汽炉烟管端头宏观形貌如图1所示,由图1 可以看出,烟管管端部位有轴向穿透裂纹,裂纹从管 端沿轴向扩展到角焊缝位置,裂纹透过角燃气热水锅炉焊缝扩展 至管板管孔内。

现场实际测量得到:管头伸出管板 长度(管端至管板面距离)I 为10~13mm;管子与 管板焊脚高度l1 为3~4mm;管子超出其与管板连 接焊缝的长度l2 为6~10 mm;焊燃气热水锅炉脚宽度(径向尺寸)l3 为4~5mm;管子中心距h 为80 mm,管桥 h1 为10mm;管端穿透(管壁)裂纹长度a1 为15~ 20mm;角 焊 缝 上 裂 纹 (沿 径 向)长 度 a2 为 3~燃气热水锅炉 5mm。

打开凤凰新闻，查看更多高清图片烟管端头断裂成两部分,在端面可观察到深度 不等的7条裂纹,且裂纹均穿透壁厚(见图2)。图2 中箭头所指部位表面有氧化皮和裂纹,并且氧化皮 较厚。

1.2 扫描电镜燃气热水锅炉(SEM)分析将断口清洗后,用扫描电镜观察断口的微观形 貌,发现断口仍存在较多的氧化皮,烟管断口的微观 形貌如图3所示由图3可知:裂纹从内表面向外表 面扩展;断口上有二次裂纹和弧形线,二次裂纹是从 烟燃气热水锅炉管端头部位产生的;断口上有较厚且致密的氧化 皮;靠近管板焊缝位置的断口上存在二次裂纹。

根据 断口的特点,可以推断断裂形式为高温热疲劳开裂

烟管端头横截面微观形貌如图4所示,由图4 可知:烟管端头部位有多燃气热水锅炉条裂纹,内表面裂纹数量比 外表面裂纹数量多。

将横截面分为 A~D4个区域,4个区域的显微 组织形貌如图5所示A 区显微组织为铁素体和3 级球化珠光体[见图5a)];B 区显微组织与 A 区相 同,珠光燃气热水锅炉体球化程度达到3级[见图5b)];C 区的显 微组织中出现少量的魏氏组织[见图5c)];D 区的 显微组织为粗大的4级魏氏组织[见图5d)]。

2 热力计算与结构设计校核分析按照相关文献[1-2]和标准燃气热水锅炉 TSG G0001—2012《锅炉安全技术监察规程》对蒸汽炉进行热力计算和 结构设计校核,同时对蒸汽炉现有结构分别按照蒸 发量15t/h和10t/h进行校核,关键参数的计算结 果如表1所示。

对表1的燃气热水锅炉热力计算数据进行对比分析,得出结 果如下所述(1)按照蒸汽量15t/h能力设计,制造单位生 产的蒸汽炉在结构上存在严重问题表1中15t/h 蒸汽炉的炉 胆 直 径 为 1.4 m,炉 胆 长 度 为 燃气热水锅炉6.2 m。

WNS15-1.25-Q 型锅炉为定型锅炉,国内多家锅炉 厂都生产该型号锅炉,炉胆直径均为1.4m,炉胆长 度均大于6 m该次事故的蒸汽炉炉胆直径仅为 1.2m,长度仅有4.07m,总体结燃气热水锅炉构尺寸均比国内同 型号锅炉的尺寸小。

(2)蒸汽炉按照15t/h的天然气量运行,炉胆 长度按照 现 有 实 际 长 度 计 算,回 燃 室 温 度 可 达 到 1350 ℃左右;三回程出口温度超过300燃气热水锅炉 ℃,高于设 计的额定温度;火焰长度达5.93 m,直接穿透锅炉 后侧。

在查验维修记录时,发现有设备在投产一年 后,防爆门出现烧红及孔圈烧穿现象,说明设备运行 过程中火 焰 已 经 到 达 防 爆 门燃气热水锅炉 处,火 焰 温 度 约 达 到 1400℃(3)按照蒸汽炉的结构尺寸进行校核计算,该 炉按10t/h炉参数运行勉强符合要求,但炉胆长度 不够,回燃室温度和排烟温度均偏高。

如果天然气 消耗量为800~燃气热水锅炉900Nm 3/h,基本相当于10t/h炉 参数运行如果天然气流量超过850Nm 3/h,锅炉 仍存在安全隐患综上所述,蒸汽炉原始结构设计存在问题,即炉 胆尺寸过短虽然炉体标牌是15t/h的蒸汽炉,但燃气热水锅炉 实际总体结构基本属于10t/h的蒸汽炉结构,配备 15t/h的燃烧器,即燃烧室长度与燃烧机火焰长度 不匹配。

按照15t/h的天然气量运行,必然造成炉 体部件烧坏和安全事故,且浪费天然气原料;10t/燃气热水锅炉h 蒸汽炉勉强可以在安全情况下运行,但仍存在安全 隐患3 综合分析烟管断面的显微组织是铁素体、球化3级珠光 体和魏氏组织,显微组织的变化说明烟管端头温度 发生了较大变化,使珠光体中的碳化物发生了球化 燃气热水锅炉分解;魏氏组织的形成说明了烟管的端头部位温度 较高,约在1100℃以上,显微组织发生相变。

魏氏 组织可降低材料的韧性断口周围没有任何塑性变形,断口上有较厚的 氧化皮和二次裂纹,说明在高温下产生脆性开裂燃气热水锅炉 烟管端头形成的魏氏组织降低了材料的韧性,增加 了组织应力,可促进裂纹的形成与扩展烟管端头 在工作载荷和组织转变等应力的作用下出现开裂。

热力计算证明,该蒸汽炉炉胆长度过小(仅有4m 长)按15t/h能燃气热水锅炉力运行时,火焰直接燃烧到 回燃室等相关部位,回燃室温度高达1400 ℃烟 管端头形成的魏氏组织证明了烟管端头的温度较 高,说明是烟管端头发生了相变。

回燃室管板没有 绝热保护,烟管没有保护端头,从而导致燃气热水锅炉烟管端头温 度过高GB/T16508.4—2013《锅壳锅炉 第4部分:制 造、检验与验收》和JB/T1619—2002 《锅壳锅炉本 体制造技术条件》规定:当烟温大于600 ℃时,管子 超出其与管板燃气热水锅炉连接焊缝的长度不应大于1.5 mm。

该炉的管子与管板连接焊缝的长度超过6mm火 焰直接燃烧管头,使管头温度升高,管头不仅承受组 织转变带来的组织应力,还有温度变化的热应力等 作用GB/T16508.3燃气热水锅炉—2013《锅壳锅炉 第3部分:设 计与强度计算》规定:相邻焊接管孔焊缝边缘的净间 距不宜小于6mm;管子与管板焊接时“孔桥应使相 邻焊缝边缘的净距离不小于6mm”。

该炉的管子 中心距为80mm,管桥燃气热水锅炉为10 mm;焊脚宽度为4~ 5mm相邻 焊 接 管 孔 焊 缝 边 缘 的 净 间 距 几 乎 为 0mm管头焊缝存在较大的焊接残余应力也是造 成管头和焊缝部位开裂的另一个原因。

对失效机理、热力计算燃气热水锅炉与结构设计校核结果进 行综合分析,可以得出蒸汽锅炉结构不合理是该蒸 汽炉烟管开裂的原因4 结语(1)烟管端头在高温环境的作用下产生高温热 疲劳开裂(2)回燃室的管板和烟管端头等均没有设置绝 热保护,造燃气热水锅炉成烟管端头温度过高。

(3)该蒸汽炉烟管开裂的主要原因是锅炉结构 设计存在严重问题,炉胆长度尺寸过小,燃烧器与炉 膛实际结构不匹配,均造成回燃室温度过高,火焰直 接燃烧管板和烟管端头,使端头位置的温度过燃气热水锅炉高(4)锅炉烟管端头伸出管板过长、管间距过小、 烟管端头不整齐等加速了烟管端部开裂。

参考文献:[1] 工业锅炉设计计算方法编委会.工业锅炉设计计算方 法[M].北京:中国标准出版社,2005.[2] 燃气热水锅炉冯俊凯.锅炉 原 理 及 计 算 [M].北 京:科 学 出 版 社, 2003. 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 6期 (pp:54-57)>

生物质蒸汽锅炉特点：燃气热水锅炉1、采用合理送料系统，进料均匀性好，与负荷追踪性好，自动化水平高；2、采用合理的燃烧设备，设计层燃，悬浮燃烧或者层燃混悬浮燃烧的方式，确保燃料充分燃烧并燃烬；3、合理布置受热面，组织成充分的燃烧空气动燃气热水锅炉力场，解决了燃烧不充分和尾部受热面易腐蚀问题；4、选择合理的炉膛出口烟温及对流受热面烟气流速，减少锅炉积灰或磨损。河南省太康锅炉有限公司以“诚信、**、服务”的企业文化为底蕴，以“客户至上、尽善尽美”燃气热水锅炉为服务宗旨，与各界朋友广泛合作，携手共进，共创美好未来。