卧式锅壳锅炉鼓包检验与分析

摘要：本文通过对11台卧式锅壳锅炉鼓包检验情况的详细描述, 从鼓包部位金属材料力学性能的变化及锅炉运行管理等方面探讨了造成锅炉鼓包的内、外因素。

关键词：卧式锅壳锅炉锅筒鼓包检验分析

卧式快装锅壳锅炉具有结构紧凑，占地面积小、整装出厂、运输安装方便、蒸汽产生快、负荷调节灵活、炉墙密封性好、保温效果佳、热效率高等集于一身的众多优点，广泛应用于中小企业生产中。但由于结构所限，卧式锅壳锅炉运行时经常发生锅筒底部鼓包现象,对锅炉的安全运行有极大威胁。锅筒是锅炉上重要的受压元件和传热元件，锅筒底部直接承受高温负荷，加之内部沉积水垢、水渣，工作条件将十分恶劣，极易产生鼓包和裂纹等缺陷。本文通过对近两年来11台鼓包锅炉的详细检测,分析了发生鼓包的原因,对鼓包部位金属材料力学性能的变化及对锅炉运行安全的影响进行了探讨, 就如何预防锅炉鼓包提出了建议。

一.概述

发生锅筒鼓包的这11台卧式锅壳锅炉,鼓包位置都在锅筒底部或偏底部。11台锅炉中4吨占了9台，另外2台为2吨锅炉，锅炉制造时间从1991年到2009年各个时间段，出现锅炉鼓包的时间从上次锅炉内检未发现鼓包到发现锅炉鼓包算起，长的近两年，短的只有2～3个月，11台锅炉鼓包中有8台锅炉鼓包变形超标，1台虽未超标，但鼓包峰处已裂穿泄漏。锅筒鼓包面积与高度见表1。

二. 检验情况与检验方法

1.检验情况

通过对锅炉运行状况的了解, 发现这些锅炉的给水水质均很差。 多数使用单位未对锅炉进行可靠的水处理（特别是锅内加药），在使用过程中，未对锅炉进行合理的排污，停炉时没有进行及时的人工除垢，致使水垢、水渣甚至泥沙大量堆积在锅筒底部。检查 11 台锅炉锅筒底部, 均堆积有大量沉积物( 水垢碎片、水渣和泥沙)，锅筒内有大量的水垢、水渣并沉积到烟管壁、锅壳壁面，底部尤其严重，最厚的达200mm以上，排污管已经堵塞，起不到排污作用。1#锅炉使用单位将未经任何处理的河水引入锅炉,使大量泥沙、泥浆沉积于锅筒底部，是12台锅炉鼓包高度最高的一台；5#锅炉是4月份才新装投入使用的锅炉，锅筒底部中心线制造厂设置一根ㄥ70×70排污导流角钢，倒扣并紧贴于锅筒底部。该炉在运行中未进行可靠的水处理和水质化验工作，司炉操作人员未定期进行排污，造成脱落的水垢、水渣淤积在角钢内无法排出，造成锅筒底部纵向鼓包变形与过烧，鼓包纵向长度700mm、宽度470mm，鼓包最大高度28mm。鼓包最高处有一条纵向长度40mm穿透性裂纹，该锅筒底部鼓包峰处和纵向裂纹处于角钢紧贴锅筒内底部区域；11#锅炉因以前未做给水软化、锅内加药等水处理工作，造成烟管、锅筒上大量水垢结生，近阶段开始采取锅内加药，使烟管、锅筒上大量片垢脱落，沉积在锅筒底部，因未及时停炉进行人工除垢造成锅筒鼓包变形，鼓包峰处高度12mm。应用超声波测厚仪测量鼓包部位厚度,壁厚均有不同程度减薄,最大减薄部位位于鼓包中心位置。实测最小壁厚仅为4.6mm,即最大减薄量达7.4 mm。分析该锅炉现有强度,原锅炉强度计算书中提供的其它参数未变, 取有效壁厚 ty=4..6mm，按GB/T16508―1996《锅壳锅炉受压元件强度计算》中的强度校核公式进行计算,其最高允许计算压力[p]=0.63 MPa。而该锅炉的实际工作压力为0.55 MPa,已经接近最高允许计算压力, 如果稍有超压鼓包处即会被撕裂,从而造成锅炉泄漏甚至爆炸；还有近一半锅炉使用单位的司炉操作人员因排污总管破损、排污管堵塞、生产用汽量大而少排污或不排污；造成大量从烟管、锅筒上脱落的片垢及锅水中沉积的水渣堆积在锅筒底部，引起鼓包变形、锅筒开裂。

二.检验方法

为避免漏检或错检，检验人员在检验过程中应当注意以下几个方面：第一，确定鼓包变形的区域大小。清除鼓包变形周围粘附在锅筒火侧的灰渣，采用30-50cm的钢板尺靠在锅筒壁上慢慢移动，确定出鼓包变形的范围并做出记号，用卷尺量出变形区域的环向长度和纵向长度；第二，确定鼓包变形区域在锅筒上的位置。用卷尺量出后变形边缘与环焊缝的距离及左变形边缘与左水冷壁管孔带下部的距离 ，便可确定出变形区域在锅筒上的位置；第三，确定鼓包变形高度。采用两个磁力线坠（拆除坠头，将坠线接在一起）前后吸附在未变形的锅筒壁上，坠线纵向横穿变形峰处，如图1所示，用钢板尺测量坠线与峰处距离L，鼓包变形高度H=60-L（单位mm,60为坠线与未变形锅筒距离），锅筒鼓包变形检验的关键是测量出锅筒变形的范围、变形的高度。

三.锅筒鼓包成因探讨

锅炉鼓包变形的根本原因是受压元件（锅筒）金属壁温过高，没有得到可靠的冷却。对于碳钢，工作温度在400℃以下被认为是安全的，火侧表面金属壁温最高也不得超过450℃，当壁温超过就有变形损坏的危险，其道理如下：

第一.温度升高超过设计规定值，金属的强度就会下降,也就是说 ，在高温下金属不具有原来的强度 ,其抵抗外力的能力随着温度升高而降低，在锅炉的强度计算书里20g钢板在不同计算壁温下的基本许用应力[σ]j如表2所示

表2

从表中明显看到碳钢在高温条件下强度下降的幅度太大了。额定压力1.25MPa锅炉锅壳筒体在设计计算时钢板基本许用应力是按计算壁温193+90=283℃选取的，为117MPa，而壁温达到480℃时基本许用应力只有38 MPa，仅为设计取值的1/3，从表中还可看出碳钢从400℃起强度下跌的数率更快。此时如果压力不变 ,即材料内部仍保持原有的压力水平，元件必然发生塑性流动直至破坏。

第二. 对于碳钢，当壁温大于400℃时，金属内部将发生晶粒滑移,形成明显地蠕变。金属在一定温度和应力（即使该应力小于该温度下的屈服强度）作用下，随时间的增加，缓慢的发生塑性变形的现象称为蠕变。温度越高，应力越大，蠕变速度越大。在实际使用中 ,碳钢当壁温≥450 ℃时,材料的蠕变极限已经很低,工作应力很容易使材料失去抵抗,加速塑性变形的积累,使材料在较短的时间内越过允许总变形δ许的数值,而提前破坏。当温度高达700-900℃时，金属加速蠕变的全部过程也只有几分钟时间就会使元件立刻损坏。

第三. 钢材在长期高温的情况下运行，造成碳钢组织中的珠光体球化和碳化物聚集，而使材料失去抵抗外力的能力。珠光体中的碳化物由片状转变成球状，也称为珠光体球化。球化后的碳化物继续长大，使小直径球变成大直径的球，这就是碳化物的聚集。球化严重时，珠光体的区域形态完全消失，球状碳化物则聚集在铁素体的晶界上，成为双重晶界，这种双重晶界实际上是沿晶界呈条状的碳化物。珠光体球化使材料的蠕变极限和持久强度下降。材料中有缺陷存在，可以看作是金属内部的锐角，会导致应力集中，在材料过热变形的过程中成为裂纹源，并在锅筒压力的持续作用下，进一步扩展形成裂纹。

第四.从这11台锅炉鼓包的检验情况可发现，鼓包位置都在受到前后拱间喉口处高速火焰的冲刷和辐射的位置，也就是热负荷最高的锅筒区域，并且在此位置锅筒内部都沉积大量水垢、水渣。人们常常称水垢是锅炉“百害之源”，原因是水垢的导热性太差，试验测定水垢的导热系数要比锅炉钢板小数十倍到数百倍。从单壁传热公式：

Q-所属热量 千卡λ-介质导热系数（千卡/米•小时•℃）

δ-钢板厚度（米）t火-火侧温度（℃） t水-水侧温度（℃）

F-传热面积（米2）

可以看出，在同一台锅炉中，锅炉的传热面积（F）和钢板厚度（δ）是一个固定不变值，锅筒水侧温度（t火）在一定工作压力下也是一个固定值。当锅炉的工作压力和蒸发量固定不变时，每小时所需热量（Q）无疑也是一个固定值。这样介质的导热系数（λ）与锅筒火侧与水侧温度差（t火－t水）成反比。锅炉如结有水垢，又要保持一定出力，这样只有增加火侧的温度。因此水垢越厚、导热系数就越差，锅炉火侧的温度就得越高，对于工作压力为1.25MPa的锅炉，没有结水垢时的钢板温度，大致是215-250℃，当钢板结有0.8-1.0mm的混合水垢，锅炉钢板温度与无水垢相比，将提高134-160℃，达到350℃以上，对20g钢板，此温度已接近警戒线，此时钢板塑性已开始下降，如果水垢继续增厚，锅炉板壁温度突升超过450℃，甚至达到或超过Ac1点，金属材料在这样的温度下会导致钢的抗蠕变极限和高温持久强度极限下降，并使蠕变加速而最终产生鼓包变形、破裂。

四.结论及预防措施

综合以上分析，锅炉鼓包事故是由于锅筒热负荷最高处堆积大量水垢，严重影响热传导,从而使该处钢板长期过热而导致蠕变造成的。为了减少损失，强化管理，确保锅炉安全运行，笔者提出以下解决方法：1）检验结果表明锅筒板厚及性能，除鼓包部分基本上在标准允许范围，可采取挖补的办法修复使用，但需要强调的是修补单位应有相应资质，并告知当地质监部门，在修补过程接受监检。2）加强水质管理，做好锅炉使用中的锅内加药和水质化验工作，确保锅炉水质符合《工业锅炉水质》标准中有关要求。3）锅炉及水处理作业人员应经过当地质监部门培训考核合格，持证上岗。4）加强锅炉运行管理 ,坚持做好定期排污工作,并认真检验排污效果。定期停炉做好锅筒清洗工作,及时彻底清除水垢。5）锅炉应遵守国家有关规定进行定期检验，这是确保锅炉安全运行、及时发现隐患不可忽略的管理措施.

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