第３０卷，总第１７１期 ２０１２年１月，第１期 《节能技术》 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ Ｖｏ１．３０，Ｓｕｍ．Ｎｏ．１７１ Ｊａｎ．２０１２，Ｎｏ．１ 燃气热水锅炉回燃室裂纹分析 张宝祥 ，王忠发 （１．天津市特种设备监督检验技术研究院，天津摘３００１９２；２．天津市质量管理研究所，天津） 要：对卧式内燃（ＷＮＳ）燃气热水锅炉回燃室裂纹进行分析，计算不同燃料特性对回燃室 温度的影响，并且运用简化传热模型，计算出水垢对回燃室不同位置金属壁温的作用，认为水循环 不充分导致水垢的出现使传热受阻，管口形式存在不合理，总结出热疲劳裂纹出现的原因。 关键词：回燃室；热疲劳；裂纹；传热模型 中图分类号：ＴＫ２２９．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６３３９（２０１２）０１—００８３—０５ Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｂａｃｋ Ｂｕｒｎｉｎｇ Ｃｈａｍｂｅｒ Ｃｒａｃｋ ＺＨＡＮＧ Ｂａｏ—ｘｉａｎｇ ．ＷＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ—ｆａ （１．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１９２ Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｅｓｅｌ（ＷＮＳ）ｇａｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ ｏｆ ｈｏｔ—ｗａｔｅｒ ｂｏｉｌ． ｅｒ，ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｕｅｌ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ，ａｎｄ ｕｓｅｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｃｒｕｓｔａｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｗａｌｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｄｉｆ－ ｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｓｕｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｙｃｌｅ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｉｎｃｒｕｓｔａｎｔ ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｏｂｓｔｒｕｅ． ｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ，ｔｈｅ ｕｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｐｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｏｆ ｈｅａｔ ｆａｔｉｇｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ；ｈｅａｔ ｆａｔｉｇｕｅ；ｃｒａｃｋ；ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ １事故概况 在检验工作中，笔者发现一台供暖的小型热水 卧式内燃（ＷＮＳ）锅炉（如图１）运行了两个采暖季 后，锅炉二回程人口处回燃室前管板烟管管端出现 裂纹而发生渗漏。在进一步检查中，发现烟管管端 管板上也存在着细小裂纹，分布比较特殊，大多存在 于左侧第５、６、７排管排之间，右侧第７、８排管排之 间（如图４）。 附近出现大面积疲劳裂纹，导致管端出现轴向内穿 透性裂纹（如图２），裂纹有的还会延伸到焊口（如图 ３）进而威胁到管板的安全。进行磁粉检测后，发现 裂纹延管口向内，延伸长度为８—１２ ｍｍ不等，并且 图１小型热水卧式内燃（ＷＮＳ）锅炉示意图 收稿日期２０１１—０７—２８ 修订稿日期２０１１—１０—２７ 作者简介：张宝祥（１９８４～），学士，助理工程师，主要从事锅炉 检验、能效测试研究与事故调查等工作。 ・８３・ 图２穿透性裂纹 麓 图５管板腹膜金相２００倍 图３管端裂纹（发展到焊缝上） ３原因分析 ３．１ 设计问题 图４回燃室前管板（二回程人口） ３．１．１ 燃料特性的影响 一般来说，锅炉本体是按照燃油燃气通用化设 ２事故调查 根据检验经验，管端裂纹现象大多成因是由于 换热不良，至使烟管局部超温，端口材料抗裂性降 低，使用一段时间后局部过热，产生裂纹。经调查研 究发现本锅炉频繁启停，用于调峰，而且烟管的管端 计制造，其中大部分是以已有燃油锅炉为基础，对不 同的燃烧器加以改进，从而达到模块化生产，提高生 产效率 Ｊ。但是，当锅炉燃用不同性质的燃料时， 由于炉内辐射吸热量不同，导致炉膛出口烟气温度 发生变化，在这里可以用下表进行对比。其中０＃柴 伸出焊口长度过长，无法得到很好的冷却，长期处于 高、低温的交变热应力作用，从而造成管端热疲劳 裂纹。 油与天然气的原始值如表Ｉ与表２所示。 表１ ０＃柴油成分 管板出现裂纹情况相对较少，管板是否有过热 现象存在，为了进一步研究，对本锅炉的管板进行了 腹膜金相检查，发现：管板组织结构并没有发生太大 变化，金相组织为铁素体＋珠光体，珠光体球化二级 （见图５），可以排除本锅炉回燃室管板处发生过热， 由此可见，此处裂纹并非过热产生。笔者认为本裂 纹产生有其他成因。 下面对本锅炉烟管与管板出现的裂纹的成因从 设计、制造和使用三方面作以下分析。 表２天然气成分 将０＃柴油与天然气在２．８ ＭＷ的热水锅炉上 进行热力计算： 其中：化学未燃烧损失ｑ ＝０．５％；保热系数 ：０．９８３；冷空气温度ｔ ＝３０￣Ｃ；过量空气系数１９／＝ １．１５；空气带入炉内热量ＱＩｋ＝５０８．６ ｋＪ／ｋｇ；代入热 力计算得到结果见表３。 ・８４・ 通过热力计算可得出结论：燃烧油、气两用的 （ＷＮＳ）热水锅炉在相同热功率的工况下，燃烧天然 气要比燃烧０＃柴油位于炉膛出口的烟气温度理论 上要高３３￣Ｃ（而实际运行的烟气温度还要偏高些）， 因此热水锅炉在使用天然气时，回燃室工作条件会 更恶劣。故在相同条件下，管端和管板在较高的烟 气温度下更容易发生破坏 。 ３．１．２管口形式结构的影响 、 本锅炉管板与烟管的连接方式采用先胀后焊工 艺，见图６。管板材质：２０ ｇ，壁厚２０ ｍｍ；烟管材质： ２０＃，规格 ５１×３ ｍｍ；管孔直径 ５１＋０．４ ｍｍ。但 管端超出焊缝的长度参差不齐 Ｊ，最大的超出量 达到了２．５ ｍｍ。根据《锅壳锅炉受压元件强度计 算》８．４．８规定：“当用于烟温大于６００￣Ｃ的部位时， 管端超出焊缝的长度不应大于１．５ ｍｍ；当用于烟温 不大于６００￣（２的部位时，管端超出焊缝的长度可放 大至５ ｍｍ。焊接烟管也按此规定处理。”此处的烟 气温度远高于６００℃，这也是造成烟管开裂的原因 之一。 图ｌ穿管示意图 由此可见，本锅炉管口形式存在不合理的地方， 尤其是管端超出焊缝的长度过大，会造成管端无法 得到可靠的冷却，使金属壁温升高，抗拉强度和屈服 强度会急剧降低，导致金属本身在结晶过程中存在 的缺陷开始出现细小裂纹，进而扩大并蔓延发展，形 成管端裂纹。这种原因导致的裂纹有时还会伴有短 时间的过热现象，从而造成管端及焊缝出现裂 纹 。 ３．１．３水循环不充分的影响 本锅炉给水分配装置离回燃室管束区有一定距 离，给水不能直接到达热负荷较高换热过程剧烈的 回燃室管束区。回燃室前管板辐射与对流换热剧 烈，贴近管壁的炉水很容易达到饱和温度从而汽化 产生汽泡，局部水循环的不充分，会使汽泡在金属表 面停滞一段时间。当表面这类汽泡达到一定数量时 就会形成一层汽膜，造成传热受阻，使金属壁温急剧 上升，这种现象就称为表面沸腾或过冷沸腾（类似 于管内模态沸腾），危害极大。 因此为了避免高温烟管、管板与管桥处产生过 冷沸腾，对给水分配装置布置形式进行改造，增加热 负荷较大的回燃室管束区的给水量，可以有效改善 局部水循环，减少汽膜产生。 ３．２制造问题 烟管与回燃室前管板之间是采用先胀后焊的装 配工艺，实际工作中，先经过焊前预胀消除间隙（此 处烟管外壁与管板开孔存在０．４ ｍｍ的间隙），再进 行焊接，但管口会因焊后收缩而重新出现间隙，而焊 后复胀时由于管口焊缝强度较大，因此难以消除这 种重新出现的问隙。这样锅炉在运行的时候，由于 这些间隙的存在（这是苛性脆化的一个诱因——细 小间隙）会使炉水逐渐浓缩，更容易产生水垢，影响 传热，导致金属表面温度升高。 由于存在间隙，炉水反复进行着被加热一产生 汽泡一汽泡过热一汽泡溢出一炉水补充一再被加热 这一过程（即汽泡产生、消失、再产生、再消失）。 在温度的变化上表现为：金属壁温也随着相应 升高一降低一再升高的交变变化，管口附近长期处 于这种交变热应力作用，会导致疲劳破坏。 在炉水的浓度上表现为：炉水被不断的浓缩，使 得ＯＨ一的浓度变大（这是苛性脆化的另一个诱因）， 这样再加上残余的各种应力的作用，就会发生苛性 脆化 。 ３．３使用问题 ３．３．１水质硬度的影响 《工业锅炉水质》 规定蒸汽锅炉水质总硬度 ≤０．０３０ ｍｍｏｌ／Ｌ，热水锅炉水质总硬度≤０．６０ ｍｍｏｌ／Ｌ，两者相差了２Ｏ倍。本锅炉炉水硬度偏高， 导致回燃室顶部与其管束区形成水垢。我们暂且抛 开设计与制造上的问题，用一个对比表明炉水硬度 对锅炉的影响： 使用单位有另外一台同厂家生产的燃气式蒸汽 锅炉，锅炉整体结构与热水锅炉相似。假设他们的 水循环状况相同，运行时间相似。最大的不同点是 运行过程中水质的管理不同。蒸汽锅炉回燃室顶部 与其管束区没有发现水垢，而本锅炉回燃室顶部与 其管束区均出现大量水垢（厚约２ ｍｍ）。假设两台 锅炉回燃室管束区均发生了炉水汽化现象，而蒸汽 锅炉由于水质总硬度小就没有水垢形成，炉水硬度 ・８５・ 对水垢产生的影响可见一斑。 ３．３．２水垢对金属传热的影响 在传统分析基础上 Ｊ，笔者在这里运用传热模 型进行分析。 两个假设： （１）假设整个管板为大平板。二回程前管板的 传热计算公式为 Ｊ ｔｂ—ｔｓ ，１、 ｑｇ 式中ｑ ——热流密度； ｔｂ——管板壁温； ￡ ——炉水温度； ——管板厚度； ６ ——水垢厚度； Ａ ——管板金属的导热系数； Ａ ——水垢的导热系数。 （２）假设整个烟管管壁的热流量为 ，且为定 值。烟管传热计算公式 ２，ｒｒｌ（ｔ 一ｔ ） 玎 （２） 式中ｆ ——烟管内壁温度； ｔｓ——炉水温度； ｄ ——烟管外径； ｄ ——烟管内径； ６ ——水垢厚度； Ａ ——烟管金属的导热系数； Ａ ——水垢的导热系数； Ｚ——假想烟管长度。 在这里单位长度的烟管热流密度与热流量之间 有如下关系 ｆ ：ｑｓｇ （３） 按照以上传热学基本公式计算二回程人口的前 管板壁温，其中二回程整个烟气温度假设成统一的 整体（由于整个二回程直径为１．６ ｍ，在这么小的空 间内烟气温度的梯度差很小暂可忽略），这样二回 程人口管板与烟管的热流密度也几乎相同，即ｑ 相 同，这样就可以对管板与烟管的金属壁温进行定量 分析。 用上述公式可以求出金属壁温，而在这里主要 研究金属壁温在有无水垢前后的差值，需要把上述 公式进一步简化，因此还要引人一个假设：在没有水 垢的情况下金属的导热系数是无限大，就是将金属 的热阻看成零，即导热过程无损失。那么烟气的热 ．８６． 量就全部被水吸收，而加人了一层水垢的导热过程， 就可以简化如下： 锅炉二回程入口前管板传热计算公式简化为 △ ＝ｑ ■Ｏｇ （４） ，～ｇ 烟管传热计算公式简化为 …ｑ （５） 将表３的值代入公式（４）、公式（５） Ａｔ管板＝ｇｇ Ｏｇ＝６．０８２（℃） △ 烟管＝ｑ ＝３６．５６（ ℃） 其中取 ２ ３８７０．８ｑ ： Ｈ ：—：ｆ １３．０８３ １８２４．５７（ｋＷ／ｍ ）…一 … ６ ＝０．００２（ｍ） Ａ ＝０．６（查表得） ｄ ＝０．０５１（ｍ） 由此可见：相同状况的水垢出现时，烟管管壁温 度上升值要比管板至少高３０￣Ｃ，在这里运用的ｑ 为 炉膛内平均热流密度，而具体到管板与烟管上时，由 于热流密度ｑ ＝Ｏ／Ｓ，管板面积要远大于烟管端部 加上管口附近的面积，因此上式的计算结果烟管升 高温度还要远远大于３０￣Ｃ，因此烟管更容易发生 破坏。 ４ 总结 根据上述分析，本锅炉破坏原因可以归结为以 下四点： （１）由于生产需要造成起、停炉次数频繁，从而 引起回燃室部位温度急剧变化； （２）二回程管端伸出长度参差不齐，且没有按 照规程的要求处理 ８ Ｊ，极易产生热应力；往复启停 更造成交变热应力，最终导致裂纹出现； （３）对水质标准控制不严、不按时排污以及水 循环不充分，造成回燃室顶部与其管束区结水垢较 厚，严重影响到传热效果，从而引起烟管管端温度过 高，端口材料抗裂性降低，高温性能迅速下降，使用 一段时间后导致局部过热产生裂纹； （４）管板火侧裂纹比较特殊，除了有腐蚀和水 垢造成传热下降对管板金属造成的影响外¨ ，经分 析发现锅炉炉水泄漏到回燃室时，水位就位于此位 置附近，出现了水火共融现象，即水位线以上就是火 焰，水不断地蒸发沸腾，而水位在上下移动，致使管 板接触的温差极大（水侧１００ｏＣ而火侧１ ０００℃）。 虽然这种状况持续时间不长，但给锅炉带来了极大 的危害，造成了管板上有规律的疲劳裂纹。 参考文献 ［１］邓新华．燃气锅炉供热系统节能技术与应用［Ｊ］．节 能技术，２０１０．２８（２）：１７８—１８１． ［５］刘振德．螺纹烟管和拱形管板在ＤＺＮ１—７一ＡＩＩ锅 炉上的配合应用［Ｊ］．节能技术，１９９１（５）：４—６． ［６］杨世铭．传热学［Ｍ］．３版．北京：高等教育出版社， １９９８． ［７］ＧＢ／Ｔ１５７６—２００８．工业锅炉水质［Ｓ］．北京：中国标 准出版社，２００９． ［２］余笑枫．ＷＮＳ燃气热水锅炉管口裂纹的原因及对策 ［Ｊ］．中国特种设备安全，２００９（４）：５６—５８． ［３］洪湖．一台进口锅炉管板表面微裂纹、烟管管口开 裂、腐蚀的原因分析［Ｊ］．工业锅炉，２００３（５）：６０—６２． ［４］王小平．ＷＮＳ型热水锅炉管板裂纹原因分析及其设 计优化［Ｊ］．工业锅炉，２０ｏ９（３）：５１—５３． ［８］中华人民共和国劳动部．蒸汽锅炉安全技术监察规 程『Ｓ］．１９９６． ［９］中华人民共和国劳动部．热水锅炉安全技术监察规 定［Ｓ］．１９９７． ［１Ｏ］王相鹏．一起锅炉管板事故原因分析与解决方案 ［Ｊ］．工业锅炉，２００４（２）． （上接第７８页） ［２］屈小娥．中国省际能源效率差异及其影响因素分析 ［Ｊ］．经济理论与经济管理，２００９（２）：４６—５２． ［３］魏楚，沈满洪．能源效率及其影响因素：基于ＤＥＡ的 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