贯流锅炉表面燃烧改造后水管产生裂纹的原因分析
程 静，周旭南，徐 艳
( 深圳市特种设备安全检验研究院，深圳 518029)
作为一种清洁能源，天然气越来越多的应用于工业锅炉领域，天然气在化石燃料中的占比已达10%左右[1]，尤其是在大城市，天然气已经成为唯一一种可以用于工业锅炉的化石燃料。然而，在天然气锅炉的使用中，NOx排放是极其严峻的问题。国内的很多大城市都要求了工业锅炉30 mg/m3的排放限制并进行了低氮改造[2]。对于贯流式锅炉，由于炉膛的尺寸较小，分级燃烧的空间不够，因此较多的采用表面燃烧技术。但贯流锅炉采用表面燃烧改造后，相当数量的锅炉投入运行后三个月之内在烟气第一回程的出口处的水管发现密集性裂纹，这为锅炉的安全运行带来了较大的隐患。笔者认为水管产生裂纹的主要原因是贯流锅炉原有的热力平衡系统遭到严重破坏，因此本文从传热学的角度对产生裂纹的原因进行具体分析，并通过对产生裂纹的水管进行失效分析加以验证，最后提出解决办法。
图1为典型的表面燃烧器的示意图。天然气和空气在进入炉膛之前预先完全混合，进入炉膛后，通过分流板在金属纤维网表面进行燃烧，形成无数个小火焰。因是预混火焰，其燃烧温度低，约为1 100 ℃，低于热力型NOx较快生成的反应温度[4-5]，且因有多个火焰中心，炉膛内温度均匀，无局部高温区出现，也抑制了NOx的生成，故采用表面燃烧器后，锅炉的NOx排放会降低至15 mg/m3，是目前NOx排放最低的燃烧方式[3]。贯流锅炉炉膛结构和尺寸的特殊性，采用空气分级燃烧和烟气再循环有限制，故较多的采用表面燃烧技术进行锅炉的低氮改造。
图1 表面燃烧器的示意图
图2为典型的贯流锅炉炉膛内部受热面布置的截面图。天然气在炉膛内燃烧，内层的水管受热面主要以辐射的方式吸收烟气热量，随后烟气流c，外层和内层两排水管主要以对流的方式吸收烟气热量，完成整个换热过程，烟气流通至烟囱排出。产生密集性裂纹的水管大多位于炉膛烟气出口处正面冲刷的外层水管。
图2 典型的贯流锅炉炉膛内受热面布置图
贯流锅炉采用表面燃烧后，与原来的扩散燃烧相比，由于预混火焰产生的蓝色火焰辐射传热系数较低[6]，且炉膛温度大幅度降低，而辐射传热量与温度的四次方成正比，故炉膛的辐射传热量大大减少。与卧式火管锅炉相比，贯流锅炉辐射受热面面积及吸收热量占总受热面积和总吸收热量的比重较大。因锅炉的热负荷一定，单位时间内天然气的用量相同，在炉膛内燃烧后产生的热量基本相同，但由于辐射吸热量的剧烈减少，在炉膛出口处的烟温远大于设计时的烟温，炉膛出口处的后排水管直接受到超过其设计温度的烟气反复冲刷，且在此位置的水管承受着超过其设计的最大热负荷，故造成炉膛出口处的后排水管由于过热和热疲劳应力的反复作用而产生密集性的裂纹。以一台额定蒸发量为4 t/h的三浦锅炉为例，锅炉表面燃烧器改造前后的部分热力参数计算及对比如表1所示。
表1 改造前后部分热力参数计算
将产生裂纹的钢管试样经镶嵌、打磨、抛光后，用4%硝酸酒精溶液进行浸蚀处理后，观察钢管显微组织。图3～图6为钢管试样的显微组织。
图3 纵截面内表面(50×)
图4 纵截面外表面(200×)
图5 横截面内表面(200×)
图6 横截面外表面(200×)
将断口打开后，表面有一层红棕色覆盖物，将断口经盐酸溶液将表面红棕色覆盖物清洗干燥后，置于扫描电镜下进行观察。图7～图10为钢管试样的显微组织。
图7 起裂源区低倍形貌
图8 起裂源区局部放大形貌
图9 裂纹扩展区形貌
图10 最后断裂区形貌
通过能谱分析和电镜分析，钢管材料的内外表面均有轻微脱碳现象，断口起裂源区平整，有一圆弧扩展面，最后断裂区与内表面呈45°夹角。整个断口均以解理开裂形貌为主，裂纹在内表面萌生后，在锅炉不断的运行过程中，由内往外扩展，最后形成一次性快速扩展开裂。断口附近钢管内表面局部可见存在大量长短不一的环向平行裂纹，该区域圆弧宽度约为20 mm，结合宏观照片及锅炉结构图可知，出现环向平行裂纹缺陷区域位于烟气冲刷区，而非缺陷区则无烟气冲刷。结合化学成分分析及锅炉运行状况，可以判定水管产生裂纹是由于过热及热疲劳引起的，这与热力分析的结果相吻合。
贯流锅炉表面燃烧器改造后水管普遍性存在着易出现密集性裂纹的状况，通过以上的分析，产生原因在于原有的热力系统遭到严重破坏，使第一回程烟气出口处具有较高的温度和热负荷，且长期受到高温烟气的冲刷，导致水管因过热和热疲劳而产生裂纹。因此，在进行贯流锅炉表面燃烧器改造前，应增加以下工作：①对热力计算书进行重新核算；
②对水管强度进行重新核定；
③分析炉膛结构与尺寸和燃烧器火焰的匹配性；
④从增强辐射换热系数的角度增强炉膛的辐射换热量。
(1)贯流锅炉表面燃烧改造后水管易产生密集性裂纹这一普遍现象是由于锅炉原有的热力系统遭到破坏。
(2)从传热学的角度分析产生裂纹的原因是过热和热疲劳。
(3)从失效分析的角度分析产生裂纹的原因是过热和热疲劳，这与从传热学的角度分析结果相一致。
(4)在进行贯流锅炉表面燃烧器改造时，应重新核算热力计算书，重新核定水管强度，分析燃烧器与炉膛的匹配性，并增加炉膛内的辐射换热量。
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