碱液回收锅炉水冷壁管的开裂原因

樊玲芳 湖北科技学院工程技术研究院

谢礼志 武汉市锅炉压力容器检验研究所

碱液回收锅炉水冷壁管的开裂原因

樊玲芳 湖北科技学院工程技术研究院

谢礼志 武汉市锅炉压力容器检验研究所

某造纸企业一台型号为XXJ280/32-3.82/450的废碱液回收锅炉在检修过程中发现炉膛水冷壁渗漏。对其进行水压试验，在压力上升过程中，水冷壁卫燃带区域大量管子严重渗水。该锅炉于2001年1月投入使用，累计运行约8万h，使用的燃料为造纸生产过程中产生的废碱液。膜式水冷壁管材质为20G，尺寸为φ45×4mm；卫燃带管子迎火面外表面焊有抓钉，抓钉尺寸为φ10×18mm。上次内部检验报告显示，炉膛卫燃带的耐火层已全部垮塌，水冷壁上结焦严重，管外壁附着有坚硬的焦壳。

1 检验情况

对该锅炉水冷壁首先进行宏观检查。发生渗漏的管子主要集中在水冷壁的左、右侧墙卫燃带区域，卫燃带以上未见渗水痕迹。对渗漏的管子进行外观检查发现，管壁上在抓钉附近存在肉眼可见的横向裂纹；进而对各处渗漏部位进行检查，均发现了类似的横向开裂的情况。将开裂的管子外表面打磨光亮，进行磁粉探伤，开口裂纹可清晰地显示，如图1所示。

图1 水冷管壁外表面横向裂纹

在宏观检查中，除了横向裂纹外，未发现管子有明显变形、外表面腐蚀、壁厚减薄等其他缺陷。

对渗水处的水冷壁管割管检查，其内表面未见明显腐蚀、结垢现象。将内表面打磨光亮后进行磁粉探伤，在迎火面内表面上发现了大量横向裂纹(如图2所示)。管子背火面的内、外表面未发现裂纹及其他缺陷。

图2 管子迎火面内表面横向裂纹

观察割管试样迎火面内表面的横向裂纹，发现其分布有较强的规律性，即呈平行状态密集分布，且位于每一排抓钉对应的管子迎火面内表面。

对管子内表面进行金相检查，金相图片如图3(a)所示。显微组织为铁素体+珠光体，组织无明显异常；图中黑色粗直线为裂纹的微观形态，从中可以看出，裂纹的扩展形态主要为穿晶，晶界上未发现晶间裂纹及蠕变空洞等显微缺陷。将管壁纵向剖开后可以看到，裂纹起源于内表面，由内往外扩展如图3(b)所示。

图3 水冷壁管金相组织及裂纹

2 原因分析

根据以上的检验结果，可以排除外部介质腐蚀、金属过热、材质劣化、蠕变开裂、内表面腐蚀开裂等裂纹产生因素。首先，对管子迎火面进行温度场的模拟分析。炉膛卫燃带的耐火层脱落，水冷壁管外表面上抓钉裸露，在炉膛火焰的加热作用下，由于不像管内壁那样能够得到有效冷却，抓钉及其附近靠近外表面的管壁金属温度将高于周围区域的温度。本文使用Pro/E软件中的Mechanica模块对水冷壁管的温度场进行模拟分析[1]，假设管内水温为200℃，炉膛烟气温度800℃，外表面的温度场如图4所示：

图4 水冷壁管迎火面外表面温度场

根据分析结果，抓钉及其根部的管壁温度明显高于周围区域，抓钉端部点2比管壁外表面点1的温度高60℃以上；管壁内表面的温度分布也不均匀，如图5所示，点3区域比点4的温度高20℃左右；管壁外表面抓钉根部点5比内表面点3的温度也高出10～15℃。

图5 水冷壁管迎火面内表面温度场

温差的存在将导致热应力的产生。在不考虑其他载荷的情况下，抓钉及其根部靠近外表面的管壁金属（图4中点5区域）受热体积膨胀，而其根部对应的内壁区域（如图5中点3对应的区域）受到汽水混合物的冷却作用体积膨胀量相对较小，这会使内壁金属产生轴向的拉应力，而靠近外壁的金属产生轴向压应力。虽然此热应力不足以直接导致塑性变形或开裂，但是，入口工质状态、炉内热流密度、质量流量、质量含汽率等对水冷壁温度均会产生影响，管壁随时会有温度起伏[2]，其应力状况也因此会出现波动，在锅炉长期运行的状态下，最终产生垂直于应力方向的疲劳裂纹。此外，由于内壁受到的是拉应力，而外壁受到压应力作用，因而内壁比外壁更容易产生裂纹。

检验人员通过进一步调查得知，该公司检修人员在停炉后为使炉膛快速冷却，在炉膛温度较高的情况下使用常温水对水冷壁左、右侧墙进行冲淋。此举一方面同样会使水冷壁管内、外壁产生温差应力，另一方面，由于附着在水冷壁管上的焦壳线膨胀率与金属不相同，焦壳便会阻碍抓钉随管壁的收缩位移，使抓钉根部及其附近的金属产生较大的拘束应力，加速了内壁疲劳裂纹的扩展，直至管壁开裂。由于前、后侧墙未受到常温水直接冲淋，所以开裂管子的数量要比左、右侧墙少得多。

3 总结

根据以上检验、分析的结果，笔者可以得到以下结论：

1）管子裂纹的产生可以排除外部介质腐蚀，金属过热、材质劣化，蠕变开裂，内表面腐蚀开裂等因素的影响；

2）管子外壁抓钉及其附近区域的温度高于内壁，使内壁金属产生轴向拉应力；受到管壁温度起伏的影响，内壁的应力状况反复变化，疲劳裂纹因此产生；

3）停炉过程中，在炉膛温度尚高的情况下使用常温水直接对水冷壁进行冲淋，使抓钉根部管壁产生较大的拘束应力及温差应力，大大加速了疲劳裂纹的扩展。

1 万启超,魏田和.Pro/Engineer Wildfire 3.0结构、热、运动分析基础与典型范例.北京：电子工业出版社,2008－03

2 刘佳,李素芬.自然循环锅炉水冷壁温度计算方法及影响因素分析.能源工程,2007－06

2013－07－31）