碱液回收锅炉水冷壁管的开裂原因
纸企业一台型号为XXJ280/32-3.82/450的废碱液回收锅炉在检修过程中发现炉膛水冷壁渗漏。对其进行水压试验，在压力上升过程中，水冷壁卫燃带区域大量管子严重渗水。该锅炉于2001年1月投入使用，累计运行约8万h，使用的燃料为造纸生产过程中产生的废碱液。膜式水冷壁管材质为20G，尺寸为φ45×4mm；卫燃带管子迎火面外表面焊有抓钉，抓钉尺寸为φ10×18mm。上次内部检验报告显示，炉膛卫燃带的耐火层已全部垮塌，水冷壁上结焦严重，管外壁附着有坚硬的焦壳。
01检验情况
对该锅炉水冷壁首先进行宏观检查。发生渗漏的管子主要集中在水冷壁的左、右侧墙卫燃带区域，卫燃带以上未见渗水痕迹。对渗漏的管子进行外观检查发现，管壁上在抓钉附近存在肉眼可见的横向裂纹；进而对各处渗漏部位进行检查，均发现了类似的横向开裂的情况。将开裂的管子外表面打磨光亮，进行磁粉探伤，开口裂纹可清晰地显示，如图1所示。
图1 水冷管壁外表面横向裂纹
在宏观检查中，除了横向裂纹外，未发现管子有明显变形、外表面腐蚀、壁厚减薄等其他缺陷。
对渗水处的水冷壁管割管检查，其内表面未见明显腐蚀、结垢现象。将内表面打磨光亮后进行磁粉探伤，在迎火面内表面上发现了大量横向裂纹(如图2所示)。管子背火面的内、外表面未发现裂纹及其他缺陷。
图2 管子迎火面内表面横向裂纹
观察割管试样迎火面内表面的横向裂纹，发现其分布有较强的规律性，即呈平行状态密集分布，且位于每一排抓钉对应的管子迎火面内表面。
对管子内表面进行金相检查，金相图片如图3(a)所示。显微组织为铁素体+珠光体，组织无明显异常；图中黑色粗直线为裂纹的微观形态，从中可以看出，裂纹的扩展形态主要为穿晶，晶界上未发现晶间裂纹及蠕变空洞等显微缺陷。将管壁纵向剖开后可以看到，裂纹起源于内表面，由内往外扩展如图3(b)所示。
(a)内表面
(b)纵向截面
图3 水冷壁管金相组织及裂纹
02原因分析
根据以上的检验结果，可以排除外部介质腐蚀、金属过热、材质劣化、蠕变开裂、内表面腐蚀开裂等裂纹产生因素。首先，对管子迎火面进行温度场的模拟分析。炉膛卫燃带的耐火层脱落，水冷壁管外表面上抓钉裸露，在炉膛火焰的加热作用下，由于不像管内壁那样能够得到有效冷却，抓钉及其附近靠近外表面的管壁金属温度将高于周围区域的温度。本文使用Pro/E软件中的Mechanica模块对水冷壁管的温度场进行模拟分析[1]，假设管内水温为200℃，炉膛烟气温度800℃，外表面的温度场如图4所示：
图4 水冷壁管迎火面外表面温度场
图5 水冷壁管迎火面内表面温度场
温差的存在将导致热应力的产生。在不考虑其他载荷的情况下，抓钉及其根部靠近外表面的管壁金属（图4中点5区域）受热体积膨胀，而其根部对应的内壁区域（如图5中点3对应的区域）受到汽水混合物的冷却作用体积膨胀量相对较小，这会使内壁金属产生轴向的拉应力，而靠近外壁的金属产生轴向压应力。虽然此热应力不足以直接导致塑性变形或开裂，但是，入口工质状态、炉内热流密度、质量流量、质量含汽率等对水冷壁温度均会产生影响，管壁随时会有温度起伏[2]，其应力状况也因此会出现波动，在锅炉长期运行的状态下，最终产生垂直于应力方向的疲劳裂纹。此外，由于内壁受到的是拉应力，而外壁受到压应力作用，因而内壁比外壁更容易产生裂纹。
检验人员通过进一步调查得知，该公司检修人员在停炉后为使炉膛快速冷却，在炉膛温度较高的情况下使用常温水对水冷壁左、右侧墙进行冲淋。此举一方面同样会使水冷壁管内、外壁产生温差应力，另一方面，由于附着在水冷壁管上的焦壳线膨胀率与金属不相同，焦壳便会阻碍抓钉随管壁的收缩位移，使抓钉根部及其附近的金属产生较大的拘束应力，加速了内壁疲劳裂纹的扩展，直至管壁开裂。由于前、后侧墙未受到常温水直接冲淋，所以开裂管子的数量要比左、右侧墙少得多。
03总结
水冷器运行的可靠性取决于管束内漏的控制：合理选材是前提，使用管理是保证。
1.实行循环水场水质达标的报告制度，并通过对循环水场水质的监测，进而查找水冷器内漏，既可对循环水质有效管理，又可为及时维修水冷器提供信息。
2.在役容器的使用管理及定期检验应注重水冷器内漏风险的控制，完善运行记录及检验报告的内漏信息，以为备台建造提供建议。
3.对于管程为湿H2S应力腐蚀环境而壳程为Cl-腐蚀环境，从长周期运行的可靠性考虑，换热管以选用SAF 2205双相不锈钢为宜。
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