大容量燃气热水锅炉对流管束的振动分析和预防措施

摘要：

针对一台58 MW燃气热水锅炉部分对流管束产生的开裂现象进行了深入的原因分析.对断口部分进行了宏观检查、金相组织分析和扫描电镜分析，对烟气冲刷对流管束时气柱的固有（驻波）频率、卡门涡流频率和水管固有振动频率分别进行了计算，并对该锅炉的对流管束进行了振动测试，得出了对流管束产生管子的共振会引发部分对流管脆性断裂的结论.并据此提出了一系列具体的预防和控制措施及建议，通过改变管子的固有频率解决此类问题的发生，为锅炉的安全稳定运行提供保障.

关键词：

燃气热水锅炉； 振动； 固有频率； 结构改进

中图分类号：TK 229.8 文献标志码：A

Vibration analysis and precaution of convection tube banks

on a large-capacity gas-fuel fired hot water boiler

WU Xiao-yun， WANG Zhe-jiang

（Shanghai Industrial Boiler Research Institute，Shanghai 200071，China）

Abstract：The cause of cracking of partial convection tube banks on a 58 MW gas-fuel fired hot water boiler was analyzed in this paper.A macroscopic examination on the fracture surface was carried out，and a microstructure analysis and scanning electron microscopy （SEM） analysis were made.Calculations were performed to obtain the natural （VSWR） frequency and Karman vortex frequency of the gas column resulting from flue-gas flowing over the convection tube banks and the natural vibration frequency of water tubes，respectively.A vibration test on the convection tube banks of the boiler was conducted.It was concluded from the calculations and test that the tubes resonance of convection tube banks could lead to the brittle fracture of partial convection tubes.In addition，concrete precaution and control measures，and suggestions were offered.By changing the natural frequency of the tubes，e.g.，the tubes resonance and the brittle fracture of partial convection tubes can be avoided and the safe and steady operation of the boiler can be guaranteed.

Key words：

gas-fuel fired hot water boiler； vibration； natural frequency； structural improvement

近年来，环境污染问题已越来越受到人们的高度重视.我国传统的能源以燃煤为主，会产生大量的PM10和SO2等污染物，特别在北方地区，燃煤供热已成为加剧大气污染的罪魁祸首.随着城市化进程的不断加快，为了解决人口和经济活动高度集中的大城市日益严重的大气污染问题，国家提出了将以煤炭为主的污染型能源利用结构逐步转变为以电力、天然气等能源为主的清洁型能源利用结构的调整策略.随着大容量燃气水管锅炉的设计开发以及大容量产品的产销量不断上升，一些以前小容量燃气锅炉不易出现的问题逐渐突显，其中燃气锅炉对流管束由振动引发的泄漏时有发生.本文就一台58 MW燃气热水锅炉运行后对流管束泄漏的原因进行研究和分析，并提出了预防措施.

1 锅炉结构和故障现象

该锅炉为“D”型布置、双锅筒、纵置式、全膜式壁密封结构、微正压室燃方式的燃气水管锅炉.从烟气侧的流程看，锅炉本体受热面为两回程，天然气与空气充分混合后进入布置在锅炉前墙右侧的燃烧器，在具有足够燃烧空间的全膜式水冷壁密封结构的炉膛中充分燃烧，并进行辐射换热；通过炉膛出口的凝渣管后，依次进入布置在锅炉左侧上、下锅筒之间的密集对流管束Ⅰ、Ⅱ进行对流换热，对流管束Ⅰ、Ⅱ两侧的烟道为全膜式水冷壁密封结构；然后进入尾部布置的翅片管式节能器进行对流换热，进一步降低排烟温度，提高锅炉效率，最后通过烟囱排入大气.在整个烟气流程中不设置引风机，主要依靠燃烧器的背压克服烟气流程中的阻力.同时，锅炉后墙、对流管束区域的前墙也采用全膜式水冷壁密封结构，防爆门布置在炉膛的顶部，检查门和窥火孔布置在炉膛后墙[1].锅炉受热面布置如图1所示.

该锅炉运行一段时间后，在对流管束Ⅱ区域出现了多根对流管束开裂和断裂的现象，开裂和断裂部位均位于对流管与锅筒焊接区.现场检查发现，距管子与锅筒连接焊缝约2～3 mm处存在环向裂纹，如图2所示.

2 原因分析

2.1 断口宏观观察

锅炉的对流管束材质为20低中压锅炉用无

缝钢管，规格为51×3 mm；锅筒材质为Q245R.

对流管裂纹断口如图3所示.通过观察，开裂处无明显塑性变形，为脆性开裂.断口有起自外表面的台阶，表明裂纹起自外表面，并由外表面向内表面方向扩展.图3中显示由于管子开裂后水冲刷壁面使其明显变薄.

2.2 断口金相组织分析

管子母材金相组织为铁素体+珠光体，珠光体轻度球化，如图4所示.管子材质符合GB/T 3087和GB 699要求，母材珠光体球化可能与断裂后缺水过热有关.

2.3 断口扫描电镜分析

断口经化学除锈后利用扫描电镜进行观察，原开裂断口形貌如图7所示，为腐蚀后的形貌，因为严重腐蚀开裂时的断口形貌已无法看到.图8为从锅筒取样时撕开金属后的断口形貌，为清晰的韧窝断口，表明断口腐蚀是由锅炉水引起的.

2.4 原因分析

由上述分析可知，断裂发生于管侧热影响区，不是瞬间断裂.管材为低碳钢且碳含量和硫含量均较低，产生焊接延迟裂纹和液化裂纹的可能性很小.在检验中也未发现延迟裂纹和液化裂纹的特征，基本可排除由焊接裂纹引起断裂的可能性.断口为穿晶开裂，未发现沿晶开裂特征，可排除由焊缝微渗漏引起苛性脆化导致断裂的可能性.

对流管束断裂是延迟性脆性开裂，开裂与焊接裂纹、苛性脆化无关，可认为由交变应力（振动）性脆化导致断裂.此外，由于焊接不当也会造成裂纹的形成和扩展断裂.

3 振动分析和原因判断

3.1 振动的初步分析

当烟气冲刷对流管束时存在三个频率：气柱的固有（驻波）频率、卡门涡流频率、水管固有振动频率.气柱的固有（驻波）频率与通道宽度（与管子长度有关）、进口气体绝对温度、波的阶次（半波数）、气体性质有关；卡门涡流频率与管子直径、横纵向节距、气流速度、管束排列方式有关；管子固有振动频率与两端固定波的阶次、管子内外径、管子长度有关.一般情况下，当气柱的固有（驻波）频率或卡门涡流频率与管子固有振动频率发生重合时就会产生共振，造成管子产生环向裂纹而破坏.

3.2 振动频率的计算

3.2.1 对流受热面气柱固有频率（驻波频率）

对流受热面气柱固有频率fn为[2]

式中，n为波的阶次（半波数），n=1，2，3，…；C为烟气中的声速，C=16.92T1/2m·s-1；T为烟气的绝对温度，对流管束Ⅰ和Ⅱ通道的进口烟气温度分别为1 513 K、497 K；L为通道的深度，取L=10 560 mm.

由此可得对流管束Ⅰ和Ⅱ通道进口的气柱固有频率（驻波频率）分别为31 Hz、18 Hz.

3.2.2 烟气通道内卡门涡流频率

卡门涡流频率fk为[2]

式中，D为管子外径，取D=51 mm；s1、s2分别为管束横向和纵向节距，分别取90 m、170 m；St为斯脱哈罗数，由s1、s2及D可得斯脱哈罗数St=0.258；w为进口气流速度，对流管束Ⅰ和Ⅱ通道的气流速度分别为16.7 m·s-1、14.6 m·s-1.

由此可得到对流管束Ⅰ通道和对流管束Ⅱ通道的卡门涡流频率分别为69 Hz、60 Hz.

3.2.3 对流受热面的振动-烟气通道内管子固有频率

烟气通道内管子固有频率Wn为[2]

式中，αn为常数，n=1，2，…时取α1=4.73，α2=7.85，…；l为管子的长度；E为管子的弹性模量；ρι为单位长度质量；Ia为管子的截面惯性距.

由此，对于最长（l=3 000 mm）、最短（l=2 650 mm）管子（51×3 mm），可得其固有频率分别为15 Hz、19 Hz.

3.2.4 结果分析

由上述可知，对流受热面烟气通道内卡门涡流频率为60～69 Hz，管子固有频率为15～19 Hz，不会在烟气通道内产生共振；而对流受热面内气柱固有频率（驻波频率）为18～31 Hz，特别是对流管束Ⅱ通道进口的气柱固有频率（驻波频率）为18 Hz，与管子固有频率15～19 Hz重合，可能产生共振.

3.2.5 原因判断

该锅炉对流管束断裂事故的原因主要是设计的对流管束比较长，固有频率比较低；而对流受热面内气柱固有频率（驻波频率）也比较低，容易产生管子的共振，从而发生脆性断裂.同时由于局部焊缝偏高，可能造成过热，使管子应力加大，容易造成管子断裂.

对流管束振动情况的测试结果表明：各管的计算第1阶频率、冷态时的固有频率和热态时的振动频率非常接近，说明在外荷载的作用下发生了共振.

4 处理措施

上述分析表明，通过改变管子的固有频率可解决此类问题的发生。具体采取的措施有：增加管子壁厚或半径，这样既可提高管子固有频率，也可降低风的扰频；可增加管子之间的刚性支撑，以提高管子的固有频率.

该锅炉生产企业在每一组对流管束之间装上纵向和横向连接板，以增加管子的刚性，提高管子的固有频率，降低管子的振动幅度.同时所有对流管与锅筒的连接严格按设计要求控制焊缝高度，并在焊后再进行贴胀，以增加管子和管孔的接触面积.

整改后的振动测试结果表明，同一列对流通道的固有频率基本一致，说明整改取得了预期效果；通过提高对流通道的刚度，显著提高了管子的固有频率；整改后对流通道在100%风速下的振动强度明显降低，降幅最高达97%，极大地改善了管子的振动特性，提高了对流通道的安全裕度.整改后锅炉运行情况良好，证明上述整改方案是可行的.

5 产生振动的其它因素

外部的振源也会对锅炉产生一定的影响.由于水管式热水锅炉采用强制循环方式，循环水泵的流量达到1 000 m3·h-1，而水泵电机的转速为960 r·min-1，所产生的频率恰好是16 Hz，如果与管子固有频率重合，也可能引起共振.另外在燃烧器选型时，也应充分考虑频率的因素，尽可能避免发生共振.

6 结束语

综上所述，燃气热水锅炉是一种高效、环保的锅炉产品.随着产品容量不断增大，需要开发人员在产品设计时充分考虑影响锅炉可靠运行的各方面因素，不断优化结构.同时，由于焊缝尺寸精度、焊接顺序以及焊接规范的应用等会影响焊接质量，直接增大焊接残余应力，加速疲劳裂纹形成和断裂过程，这就需要锅炉生产企业组织生产时严格按照焊接规范操作，牢牢把握产品质量关，为用户提供优质、可靠的产品.

参考文献：

[1] 陈学俊，陈听宽.锅炉原理[M].北京：机械工业出版社，1981.

[2] 机械工程手册电机工程手册编辑委员会.机械工程手册（第4卷）[M].北京：机械工业出版社，1982.