鄭金航

摘要：對某加氣磚廠一臺(tái)WNS6-1.6-Y、Q燃?xì)忮仩t筒體開裂泄漏事故進(jìn)行現(xiàn)場勘查，通過宏觀檢查、壁厚測定、磁粉檢測、超聲波檢測、材料成分分析、硬度檢測、金相組織分析等，總結(jié)出筒體開裂泄漏的原因。結(jié)果表明開裂泄漏出的鍋爐筒體在制造時(shí)存在未坡口焊接、咬邊等缺陷，焊后存在焊接殘余應(yīng)力和運(yùn)行時(shí)的交變應(yīng)力、剪切應(yīng)力等，最終在多種應(yīng)力作用下發(fā)生筒體開裂，導(dǎo)致泄漏事故發(fā)生。為了杜絕該類事故的發(fā)生，文中對鍋爐提出整改措施和建議。

關(guān)鍵詞：燃?xì)忮仩t；鍋爐筒體；筒體開裂；失效分析

Analysis and Discussion on Failure Causes of Cracking and Leakage of Gas-fired Boiler Drum

ZHENG? Jinhang

（Fujian Boiler and Pressure Vessel Institute， Fuzhou 350008， Fujian， China）

Abstract： A field investigation was carried out on the cracking and leakage accident of a WNS6-1.6-Yand Q gas-fired boiler barrel in a aerated brick factory. Through macro inspection， wall thickness measurement， magnetic particle testing， ultrasonic testing， material composition analysis， hardness testing and metallographic structure analysis， etc， the causes of cylinder cracking and leakage were summarized. The results show that the cracked and leaked boiler shell had defects such as no groove welding and undercut during manufacturing. After welding， there were welding residual stress， alternating stress and shear stress during operation， etc. Finally， under the action of various stresses， the cylinder cracks，which results in leakage accidents. In order to prevent the occurrence of such accidents， rectification measures and suggestions are put forward for the boiler.

Key Words：? Gas-fired boiler; The boiler barrel; Crack; Failure analysis

0 引言

隨著人們環(huán)保管理意識(shí)不斷加強(qiáng)和環(huán)境治理改造力度不斷加大，傳統(tǒng)的熱效率低、污染嚴(yán)重的燃煤鍋爐已經(jīng)逐漸被燃?xì)忮仩t所替代。燃?xì)忮仩t不需要配置吹灰器、除塵器、出渣設(shè)備和燃料烘干器等附屬設(shè)備，可以大大降低鍋爐的投資成本。在供給燃燒前也無需燃料加工制備設(shè)備，使系統(tǒng)大為簡化。數(shù)據(jù)調(diào)查顯示采用天然氣，能達(dá)到減排95%以上，而供熱效率也能提高35%以上，這就是燃?xì)忮仩t被大量企業(yè)所接受的原因。但燃?xì)忮仩t作為新型環(huán)保型鍋爐的技術(shù)指標(biāo)不夠完善，通常因結(jié)構(gòu)原因和制造原因經(jīng)常發(fā)生開裂泄漏等事故，因此針對鍋筒開裂泄漏事故進(jìn)行討論具有一定意義。

通過對該鍋爐鍋筒開裂泄漏事故，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院組織相關(guān)檢驗(yàn)員對該鍋爐進(jìn)行安全性能技術(shù)鑒定，結(jié)合鍋爐的結(jié)構(gòu)采用宏觀檢查、壁厚測定、磁粉檢測、超聲波檢，材料成分分析、硬度檢測、金相組織分析等手段進(jìn)行原因分析，提出開裂泄漏的主要原因并進(jìn)行探討，為杜絕該類事故的發(fā)生并提出相關(guān)的改進(jìn)措施和建議。

1 基本情況及事故過程描述

該燃?xì)忮仩t的型號為WNS6-1.6-Y、Q型結(jié)構(gòu)為濕背式臥式內(nèi)燃蒸汽鍋爐（見圖1），額定蒸發(fā)量為6t/h，額定工作壓力為1.6MPa，額定蒸汽溫度為204℃，適用燃料為天然氣和輕柴油，設(shè)計(jì)熱效率≥100.5%，鍋筒材質(zhì)為Q345R，鍋筒規(guī)格為φ2108×12mm。制造日期為：2017年5月，投用日期為：2017年8月。鍋爐在用蒸汽設(shè)備為6臺(tái)蒸壓釜，蒸壓釜運(yùn)行壓力為0.5MPa，蒸壓釜每天運(yùn)行兩班，每班6個(gè)小時(shí)，每接近半個(gè)小時(shí)鍋爐要對蒸壓釜進(jìn)行一次送蒸汽加壓保溫，鍋爐送蒸汽時(shí)壓力為1.4MPa，送蒸汽后壓力降至0.5MPa，滿足生產(chǎn)需要頻繁對鍋爐升壓降壓。

2021年12月，鍋爐在運(yùn)行期間司爐人員發(fā)現(xiàn)鍋爐的筒體后部右上方外保溫鐵皮有大量的高壓高溫蒸汽噴出，此時(shí)壓力表顯示1.4MPa，司爐人員采取緊急停爐措施并向上級匯報(bào)情況。該公司啟動(dòng)鍋爐事故應(yīng)急預(yù)案，并全面檢查，尋找蒸汽泄漏位置和原因。鍋爐停爐冷卻后該公司與福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院聯(lián)系，匯報(bào)鍋爐蒸汽泄漏情況，邀請相關(guān)鍋爐檢驗(yàn)人員進(jìn)行鍋爐安全性能技術(shù)鑒定。

鍋爐鑒定的結(jié)果描述如下：

1）磁粉檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)鍋爐筒體與斜拉桿焊接的角焊縫處存在5處的裂紋（前部斜拉桿3處，后部斜拉桿2處），發(fā)現(xiàn)其中一處貫穿性裂紋，長度有60mm；

2）鍋爐筒體和斜拉桿焊接時(shí)斜拉桿未按設(shè)計(jì)圖紙（見圖2）要求坡口焊接，焊接后存在咬邊情況，角焊縫外觀未按設(shè)計(jì)圖紙要求圓弧過渡；

3）鍋筒、管板、爐膽、回燃室、煙管有0.5～1.0mm厚度的水垢，2019年、2020年水質(zhì)化驗(yàn)存在鍋水酚酞堿度、全堿度、電導(dǎo)率、磷酸根、溶解固形物項(xiàng)目不合格。

2 鑒定檢驗(yàn)過程情況

2.1 宏觀檢查、資料審查

對燃?xì)忮仩t各部件和安全附件宏觀檢查，除鍋爐筒體有明顯穿透先開裂泄漏情況，其他受壓元件未見異常。結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙與現(xiàn)場鍋爐設(shè)備比對，未發(fā)現(xiàn)有改造現(xiàn)象。鍋爐為全自動(dòng)控制。查看鍋爐運(yùn)行記錄，運(yùn)行時(shí)間6～20h，運(yùn)行時(shí)的壓力在0.5～1.4MPa，壓力波動(dòng)比較大，升壓降壓次數(shù)較為頻繁。查看產(chǎn)品質(zhì)量證明書，筒體材料Q345R，厚度12mm；斜拉桿材料20（GB/T 699），直徑50mm符合設(shè)計(jì)的要求。查看水質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告，存在鍋水酚酞堿度、全堿度、電導(dǎo)率、磷酸根、溶解固形物項(xiàng)目不合格，未進(jìn)行整改。

2.2壁厚測定

采用27MG超聲波測厚儀對筒體每一個(gè)筒節(jié)壁厚測定，檢測數(shù)量不少于10個(gè)點(diǎn)，每個(gè)筒節(jié)實(shí)測最小壁厚為11.7mm。對筒體開裂泄漏部位進(jìn)行壁厚測定位置（見圖3），結(jié)果見表1，筒體開裂的部位實(shí)測最小壁厚為11.7mm。鍋爐產(chǎn)品質(zhì)量證明書中受壓元件強(qiáng)度計(jì)算匯總表中筒體設(shè)計(jì)最小需要厚度10.54mm，實(shí)測厚度滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。

2.3 磁粉檢測

采用LKXN-SX磁粉探傷儀（四腳）和LKGN-22016SX磁粉探傷儀（兩腳）對筒體對接焊縫和斜拉桿與筒體焊接的所有角焊縫進(jìn)行磁粉檢測。筒體對接焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，在斜拉桿與筒體對接的角焊縫存在5處裂紋（見圖4），其中一處貫穿性裂紋（見圖5），長度60mm。

2.4 超聲波檢測

采用CTS-9008PLUS超聲波探傷儀對筒體對接焊縫進(jìn)行埋藏缺陷檢測，選用5P10×10K2和5P10×10K3斜探頭對對接焊縫檢測，檢測結(jié)果表明，對接焊縫未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷；選用5P14Z2.5直探頭對筒體開裂區(qū)域進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果表明，開裂區(qū)域的筒體材料未發(fā)現(xiàn)分層和內(nèi)部鼓包缺陷。

2.5 材料成分分析

采用X-MET8000手持式光譜分析儀對筒體每一塊筒節(jié)進(jìn)行材料成分分析，分析結(jié)果見表2，與鍋爐提供的產(chǎn)品質(zhì)量證明書中的筒體鋼板化學(xué)成分無明顯的差別，均符合GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)要求。光譜元素分析GB 713-2014標(biāo)準(zhǔn)值。

2.6 硬度檢測

采用HT-2000A便攜式硬度計(jì)對鍋筒開裂泄漏區(qū)域進(jìn)行硬度檢測，檢測的測點(diǎn)位置如圖6所示，檢測的測點(diǎn)取5次檢測值的平均值作為硬度檢測的測量值，將測量值按GB 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》中的黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算表進(jìn)行換算，得出開裂部位金屬材料的抗拉強(qiáng)度值。GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中Q345R厚度12mm的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為510～640MPa。開裂部位材料硬度檢測和抗拉強(qiáng)度換算結(jié)果見表3，靠近焊縫處硬度值略高，均能滿足抗拉強(qiáng)度值。

2.7 金相組織分析

采用PTI-5000型便攜式現(xiàn)場金相檢測儀對筒體開裂部位進(jìn)行金相組織分析，開裂部位金相組織為：鐵素體+珠光體（見圖7），金相組織屬正常狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)材料晶界氧化和晶粒球化、粗化情況。裂紋清晰可見（見圖8），擴(kuò)展呈穿晶特征。

3 綜合原因分析

以上檢驗(yàn)檢測手段可排除材料使用錯(cuò)誤或材料自身缺陷引起的開裂，從裂紋的外形上看存在疲勞輝紋，具有疲勞失效損傷模式特征，其主要原因歸納如下：

1）斜拉桿與鍋筒焊接時(shí)沒有按設(shè)計(jì)圖紙尺寸施焊，焊接后斜拉桿處角焊縫未圓滑過渡至鍋筒筒體上（見圖2）。角焊縫經(jīng)過幾道焊接，焊縫處未進(jìn)行熱處理硬度略高，變性能力差。角焊縫上存在輕微的咬邊，咬邊削弱了筒體強(qiáng)度，鍋爐在運(yùn)行期間，鍋筒在水蒸汽壓力作用下存在向外擴(kuò)張的趨勢，斜拉桿連接著鍋筒與管板，使鍋筒擴(kuò)張后變形不協(xié)調(diào)，所以在角焊縫處形成了應(yīng)力集中，在每次升壓降壓過程中，該部位的局部應(yīng)力比設(shè)計(jì)應(yīng)力大2～4倍，因此焊縫未圓滑過渡和咬邊的區(qū)域范圍內(nèi)就自然形成裂紋擴(kuò)展的核心部位。

2）從該鍋爐運(yùn)行的情況看，1臺(tái)鍋爐要供給6臺(tái)蒸壓釜用汽，蒸壓釜體積大用氣量多，平均每20～30分鐘就要升壓降壓一次，鍋爐一天正常服役時(shí)間13小時(shí)，大概一天就要升壓降壓26～39次，服役時(shí)間4年多，該鍋爐升降壓次數(shù)大約為55000次，蒸汽壓力波動(dòng)幅度較大，鍋筒承受交變載荷，引起金屬低周疲勞[1]。由交變載荷引起的應(yīng)力具有反復(fù)性和波動(dòng)性，在交變載荷應(yīng)力的作用下，疲勞裂紋總是從高應(yīng)力處形成和發(fā)展的，所以在這種運(yùn)行工況條件下加速了裂紋的發(fā)展[2]。

3）鍋爐的斜拉桿對管板起到拉撐作用，斜拉桿所連接的結(jié)構(gòu)（見圖9），如果鍋爐運(yùn)行壓力高時(shí)，此時(shí)管板所承受的向外壓力就越大，變形量越大，鍋筒通過斜拉桿所承受的向下拉的應(yīng)力就越大，這種情況下此處鍋筒既要承受內(nèi)壓向外的薄膜應(yīng)力，又要承受斜拉桿向下的拉應(yīng)力，在角焊縫處自然形成剪切應(yīng)力。由于角焊縫未圓滑過渡，所承受的應(yīng)力負(fù)荷不均勻，因此剪切應(yīng)力就明顯增強(qiáng)。在鍋爐頻繁壓力波動(dòng)情況下剪切應(yīng)力處開裂敏感性大幅提高。

綜合上述分析，角焊縫存在未圓滑過渡和咬邊，鍋爐運(yùn)行時(shí)造成此部位的應(yīng)力高度集中，鍋筒受到低周交變載荷應(yīng)力和受壓管板通過斜拉桿產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，這兩種應(yīng)力相互在此疊加極易產(chǎn)生疲勞裂紋。

4處理方案

角焊縫咬邊應(yīng)通過打磨方式消除，焊接尺寸未達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求的應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊的焊接作業(yè)人員應(yīng)當(dāng)持有相應(yīng)的焊接操作證書，根據(jù)焊接工藝評定編制焊接工藝文件后方可施焊。

對于非貫穿性的裂紋應(yīng)打磨消除，打磨后進(jìn)行磁粉檢測，檢測時(shí)還發(fā)現(xiàn)裂紋則繼續(xù)打磨反復(fù)檢測至裂紋清除。對于打磨較深的凹坑應(yīng)采用堆焊修理，焊接后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行表面無損檢測[3]。

對貫穿性的裂紋應(yīng)采用挖補(bǔ)方式進(jìn)行修理，挖補(bǔ)修理屬于重大修理，修理施工單位應(yīng)具有鍋爐維修資質(zhì)，并向當(dāng)?shù)乇O(jiān)察機(jī)構(gòu)告知，向檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)申請修理監(jiān)檢[3]。補(bǔ)板建議使用同材質(zhì)厚度16～20mm的鋼板，將補(bǔ)板四周邊緣削薄至原鋼板厚度（見圖10），其主要目的是有效抵抗鍋爐運(yùn)行后斜拉撐對筒體產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，避免鍋爐運(yùn)行后再次發(fā)生穿透性裂紋。

5整改措施

通過該鍋爐的事故原因分析，提出兩個(gè)整改措施建議：

1）從鍋爐到用汽設(shè)備的整個(gè)系統(tǒng)上考慮，鍋爐供汽壓力波動(dòng)幅度較大，承受較強(qiáng)的交變載荷，受到低周疲勞載荷破壞，因此可以在供汽系統(tǒng)上增加蒸汽蓄熱器設(shè)備。蒸汽蓄熱器有利于平衡供汽峰谷負(fù)荷的作用，使鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定。

2）鍋殼式內(nèi)燃鍋爐結(jié)構(gòu)帶有大量的拉撐件，給設(shè)計(jì)、工藝、備料、監(jiān)檢、安全帶來諸多不利因素[4]。需要對內(nèi)燃式鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新，鍋殼前后采用拱形管板（見圖11），可取消大量的斜拉桿與直拉桿[4]。由于拱形管板在我國新型水火管鍋殼鍋爐上得到大量應(yīng)用，因此內(nèi)燃式鍋爐使用拱形管板并不困難[5]。無拉桿的鍋爐在運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)有很大的改善，同時(shí)鍋爐總體剛性下降，筒體不存在多余應(yīng)力，可有效防止筒體開裂，使鍋爐的安全、可靠性明顯提高。

6 結(jié)論

綜合檢驗(yàn)和分析的結(jié)果，鍋爐筒體開裂泄漏的原因主要是斜拉桿與筒體焊接的角焊縫存在未圓滑過渡和咬邊，運(yùn)行角焊縫部位應(yīng)力高度集中，受到低周交變載荷應(yīng)力和剪切應(yīng)力，在此疊加產(chǎn)生疲勞裂紋。對開裂泄漏的鍋爐提出針對性的處理方案。對于鍋爐供汽峰谷負(fù)荷較大的情況建議增加蒸汽蓄熱器設(shè)備，使鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定。采用拱形管板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平管板，取消斜拉桿對鍋爐帶來的不利影響。確保燃?xì)忮仩t能夠安全、可靠的使用。

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