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摘 要：锅炉事故往往会造成人员伤亡和经济损失，因此锅炉的安全运行关系到企业的发展，社会安稳，人民安居乐业，是全社会关注的热点。本文针对检验中遇到的一台卧式锅炉管板裂纹现象进行较为系统的分析，从不同角度探讨裂纹发生的原因。
关键词：管板;裂纹;应力分析
DZL型卧式蒸汽锅炉具有结构合理紧凑、安装操作简单、性能安全可靠等优点， 在居民生活和工业生产中广受应用。但是随DZL型锅炉数量的增多， 各种事故常有发生， 尤其是管板裂纹渗漏停炉事故所占比例比较高，相对危害性也较大。正确的检查和分析管板裂纹产生的原因对预防事故的扩大、提高检验员对相关情况的检验能力、以及避免类似事故再次发生有着一定的实际意义。
1锅炉运行中的常见事故
1.1锅炉结垢
锅炉给水中所含钙、镁等离子的盐类受热后析出并粘结于金属表面便形成了水垢，水垢的导热性能非常差，導热系数约为普通钢材的2～5%，实验表明：对于工作压力1.25MP的锅炉而言，没有结水垢的情况下钢板温度大致为215到250℃，当锅炉内水垢达到1.0mm左右时钢板的温度将上升134到160℃，而对锅炉常用的Q245R钢板，当温度达到350℃时已接近其警戒线，此时钢板的材料性能已经开始下降，若水垢此时得不到处理甚至继续结垢，钢材产生过烧在所难免，金属内部也将发生晶粒滑移形成明显的蠕变，材料的韧性和塑性将发生不可逆的大幅度下降，从而失去抵抗外力的能力，锅炉鼓包、水冷壁变形爆管也因而产生。
1.2锅炉结焦
锅炉结焦是个很复杂的物理化学过程，它涉及煤的燃烧、炉内传热、煤质的结焦特性、煤粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附等过程。煤粉在炉膛内燃烧后部分灰在炉内高温环境下呈熔化或半熔化状态，正常情况下由于水冷壁温度相对较低，灰渣粒在接近水冷壁管之前，其自身温度迅速降低而凝固，在锅炉运行中积灰层自行脱落或通过吹灰器吹落，灰层不至于发展为焦块。但如果灰渣粒在到达受热面前未得到足够冷却成为凝固状态，且仍然具有较高粘结能力时，就容易粘附在受烟气火焰冲刷的受热面或炉墙上，产生结焦。
1.3氧腐蚀
溶解氧腐蚀是一种电化学腐蚀。其原理是：锅炉金属内壁的氧化铁保护膜因热力及水质变差等原因部分被破坏，在被破坏的金属铁表面和氧化铁保护膜表面间形成了局部电池：铁从阳极析出，所产生的铁离子会通过疏松的腐蚀产物层慢慢向外扩散，在溶解氧及氢氧根离子存在的情况下，进一步氧化成氢氧化铁。锅炉的防腐工作是使用单位的薄弱环节，氧腐蚀会造成DZL 型锅炉烟管腐蚀、穿孔，水冷壁管穿孔泄露、爆管，锅筒、集箱、管板壁厚减薄等，严重威胁锅炉安全运行。
1.4裂纹
在锅炉生产运行中经常会发生变形、断裂、渗漏等问题， 根据目前的研究我们不难发现孔桥的断裂不仅仅与烟管的连接方式和锅内水的循环方式有关， 还与其他因素有关。目前全国在役工业锅炉中， DZL 锅炉所占比例数较大， DZL 型工业锅炉运行使用中， 锅炉产生裂纹现象已经不是新问题了， 各种构件的断裂与综合受力有关。
2卧式锅炉管板裂纹实例分析
2.1基本情况
某手套厂安装一台型号为DZL4-1.25型卧式锅炉。该锅炉由某锅炉厂2016年10月制造，于2017年3月购进，并于当年5月安装完毕投入运行，当使用7个月后锅炉发生了管板裂纹渗漏停炉事故。停炉检查发现上述停炉事故的锅炉都是管板高温段孔桥有多处断裂， 裂纹开口较细， 长度较短， 有部分塑性变形， 裂缝中夹杂有烟灰、水垢和腐蚀物质等。裂纹起源于烟管填角焊缝内例， 向外侧扩展， 并向孔桥母材和烟管纵向延伸， 呈二维开裂， 烟管端部有局部过烧痕迹。该锅炉为自然循环， 烟管与管板连接方式为焊接。在修理时发现管板高温段内侧管束群中积有4-8毫米厚的水垢取样进行化学元素分析和机械性能试验， 结果显示孔桥裂纹附近基本组织是板条状珠光体和铁素体， 晶粒较粗大; 离裂纹 10 毫米处显微组织为珠光体加铁素体晶粒细小均匀，孔桥裂纹附近材料的化学成分几乎没有改变， 机械性能的强度有所下降， 塑性上升， 而冲击韧性和冷弯工艺性能没有改变
2.2 原因分析
2.2.1焊接残余应力
烟管与管板采用焊接连接， 其焊根往往会产生局部塑性变形， 形成难于消除的残余应力， 这种残余应力本身就作用焊缝的内侧。管板内侧产生的局部膜应力， 管孔缘也会产生的应力集中， 加上管板平面的弯曲应力， 以及一些机械应力等， 合计为其他应力也会作用于焊缝内侧。以上各种应力叠加的结果， 就会使外部应力达到或超过裂纹初始开裂应力， 导致焊缝裂纹的扩展， 使焊缝撕裂。当然， 这些应力并不是同时起作用的，从应力的分类来看， 这些应力多属于间接应力和峰值应力， 一般不作直接计算。
2.2.2外部应力
DZL 型锅炉的烟管是直管， 两端固定焊接在前管板上， 呈刚性连接。钢管热胀冷缩， 相对伸长得不到补偿， 即使火侧与水侧换热良好，但是整根烟管是浸在水中的， 由于水温的变化， 烟管在长度方向上产生热应力， 这个热应力当烟管受热伸长时为拉应力， 冷却收缩时为压应力。这种拉、压应力反复作用于烟管两端的焊缝上， 成为焊缝的拘束应力。从受力方式上来看， 焊缝两端的拘束应力是剪应力。填角焊缝本身承受剪切变形的能力就很低， 因此， 角焊缝被撕裂的形式通常表现为被切断。
2.2.3连接处的温差应力
管板烟气第一回程入口处受到高温烟气（ 高于 920°C） 的快速冲刷， 放热激烈， 孔桥与烟管之间的缝隙处的水可能产生局部汽化， 形成水一汽二相流体。由于水蒸汽的导热性能很差， 填角焊缝得不到冷却， 传热恶化， 当缝隙的蒸汽压力增大到一定程度之后， 蒸汽向水域膨胀扩散， 蒸汽被水冷却， 锅水又进入缝隙冷却焊接内侧， 产生很大的温差应力。如此反复作用， 形成交替热应力循环， 加速焊缝内侧的开裂。值得指出的是工业锅炉系统的循环水量比对应的蒸汽锅炉进水量要大得多， 当水质处理不良时， 锅筒内壁特别是管板高温段烟管束的内壁很容易凝聚水垢， 而水垢自身的热阻就很大， 使局部壁温升高， 也会增大温差应力。
3结论
从断裂力学的基本原理出发，裂纹的开裂和扩展是由原始裂纹受力而引发的，由上述分析可知，DZL工业锅炉孔桥断裂失效的原因是由于锅炉内在应力引发的，也就是说是由锅炉自身结构不尽合理引起的。例如，烟管不论焊接是胀接，都不可避免地存在与管壁之间的缝隙;烟管为直管，刚性连接，无伸缩余地;管板受高温烟气直接冲刷， 加上运行时启停频繁， 在交变载荷下，引起裂纹的疲劳扩展， 这些都是孔桥断裂失效的原因。至于锅内水循环方式与孔桥裂纹不会产生直接的关系，水质不良会产生水垢，它们都会对锅炉管板孔桥断裂失效产生诱发因素。本文对DZL锅炉管板裂纹的分析，系统的介绍了裂纹产生的原因及危害， 这对减少在用的 DZL 型锅炉的管板及锅壳（ 锅筒） 变形、裂纹等缺陷， 保证DZL型工业锅炉的安全运行，以及卧式锅炉的制造、使用、检验检测、监督管理等工作具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 祝希赟， 关于 DZL 型卧式快装蒸汽锅炉水冷壁管爆管事故原因的探讨[J];内蒙古科技与经济，2007（4）：102.
[2] 王英杰， 金升主编.金属材料及热处理[M] .北京： 机械工业出版社.2006;
[3] 王纪安主编.工程材料与材料成型工艺[M] .北京： 高等教育出版社.2000;
[4] 王龙华.蒸汽锅炉由水质引起锅炉鼓包的事故处理[J]，江苏锅炉，2014（4）34-35;
作者简介：杨田园（1991.12.11—），女，汉族，籍贯：江苏省宿迁市，助理工程师，本科，单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院宿迁分院，研究方向：锅炉检验检测
关键词：管板;裂纹;应力分析
DZL型卧式蒸汽锅炉具有结构合理紧凑、安装操作简单、性能安全可靠等优点， 在居民生活和工业生产中广受应用。但是随DZL型锅炉数量的增多， 各种事故常有发生， 尤其是管板裂纹渗漏停炉事故所占比例比较高，相对危害性也较大。正确的检查和分析管板裂纹产生的原因对预防事故的扩大、提高检验员对相关情况的检验能力、以及避免类似事故再次发生有着一定的实际意义。
1锅炉运行中的常见事故
1.1锅炉结垢
锅炉给水中所含钙、镁等离子的盐类受热后析出并粘结于金属表面便形成了水垢，水垢的导热性能非常差，導热系数约为普通钢材的2～5%，实验表明：对于工作压力1.25MP的锅炉而言，没有结水垢的情况下钢板温度大致为215到250℃，当锅炉内水垢达到1.0mm左右时钢板的温度将上升134到160℃，而对锅炉常用的Q245R钢板，当温度达到350℃时已接近其警戒线，此时钢板的材料性能已经开始下降，若水垢此时得不到处理甚至继续结垢，钢材产生过烧在所难免，金属内部也将发生晶粒滑移形成明显的蠕变，材料的韧性和塑性将发生不可逆的大幅度下降，从而失去抵抗外力的能力，锅炉鼓包、水冷壁变形爆管也因而产生。
1.2锅炉结焦
锅炉结焦是个很复杂的物理化学过程，它涉及煤的燃烧、炉内传热、煤质的结焦特性、煤粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附等过程。煤粉在炉膛内燃烧后部分灰在炉内高温环境下呈熔化或半熔化状态，正常情况下由于水冷壁温度相对较低，灰渣粒在接近水冷壁管之前，其自身温度迅速降低而凝固，在锅炉运行中积灰层自行脱落或通过吹灰器吹落，灰层不至于发展为焦块。但如果灰渣粒在到达受热面前未得到足够冷却成为凝固状态，且仍然具有较高粘结能力时，就容易粘附在受烟气火焰冲刷的受热面或炉墙上，产生结焦。
1.3氧腐蚀
溶解氧腐蚀是一种电化学腐蚀。其原理是：锅炉金属内壁的氧化铁保护膜因热力及水质变差等原因部分被破坏，在被破坏的金属铁表面和氧化铁保护膜表面间形成了局部电池：铁从阳极析出，所产生的铁离子会通过疏松的腐蚀产物层慢慢向外扩散，在溶解氧及氢氧根离子存在的情况下，进一步氧化成氢氧化铁。锅炉的防腐工作是使用单位的薄弱环节，氧腐蚀会造成DZL 型锅炉烟管腐蚀、穿孔，水冷壁管穿孔泄露、爆管，锅筒、集箱、管板壁厚减薄等，严重威胁锅炉安全运行。
1.4裂纹
在锅炉生产运行中经常会发生变形、断裂、渗漏等问题， 根据目前的研究我们不难发现孔桥的断裂不仅仅与烟管的连接方式和锅内水的循环方式有关， 还与其他因素有关。目前全国在役工业锅炉中， DZL 锅炉所占比例数较大， DZL 型工业锅炉运行使用中， 锅炉产生裂纹现象已经不是新问题了， 各种构件的断裂与综合受力有关。
2卧式锅炉管板裂纹实例分析
2.1基本情况
某手套厂安装一台型号为DZL4-1.25型卧式锅炉。该锅炉由某锅炉厂2016年10月制造，于2017年3月购进，并于当年5月安装完毕投入运行，当使用7个月后锅炉发生了管板裂纹渗漏停炉事故。停炉检查发现上述停炉事故的锅炉都是管板高温段孔桥有多处断裂， 裂纹开口较细， 长度较短， 有部分塑性变形， 裂缝中夹杂有烟灰、水垢和腐蚀物质等。裂纹起源于烟管填角焊缝内例， 向外侧扩展， 并向孔桥母材和烟管纵向延伸， 呈二维开裂， 烟管端部有局部过烧痕迹。该锅炉为自然循环， 烟管与管板连接方式为焊接。在修理时发现管板高温段内侧管束群中积有4-8毫米厚的水垢取样进行化学元素分析和机械性能试验， 结果显示孔桥裂纹附近基本组织是板条状珠光体和铁素体， 晶粒较粗大; 离裂纹 10 毫米处显微组织为珠光体加铁素体晶粒细小均匀，孔桥裂纹附近材料的化学成分几乎没有改变， 机械性能的强度有所下降， 塑性上升， 而冲击韧性和冷弯工艺性能没有改变
2.2 原因分析
2.2.1焊接残余应力
烟管与管板采用焊接连接， 其焊根往往会产生局部塑性变形， 形成难于消除的残余应力， 这种残余应力本身就作用焊缝的内侧。管板内侧产生的局部膜应力， 管孔缘也会产生的应力集中， 加上管板平面的弯曲应力， 以及一些机械应力等， 合计为其他应力也会作用于焊缝内侧。以上各种应力叠加的结果， 就会使外部应力达到或超过裂纹初始开裂应力， 导致焊缝裂纹的扩展， 使焊缝撕裂。当然， 这些应力并不是同时起作用的，从应力的分类来看， 这些应力多属于间接应力和峰值应力， 一般不作直接计算。
2.2.2外部应力
DZL 型锅炉的烟管是直管， 两端固定焊接在前管板上， 呈刚性连接。钢管热胀冷缩， 相对伸长得不到补偿， 即使火侧与水侧换热良好，但是整根烟管是浸在水中的， 由于水温的变化， 烟管在长度方向上产生热应力， 这个热应力当烟管受热伸长时为拉应力， 冷却收缩时为压应力。这种拉、压应力反复作用于烟管两端的焊缝上， 成为焊缝的拘束应力。从受力方式上来看， 焊缝两端的拘束应力是剪应力。填角焊缝本身承受剪切变形的能力就很低， 因此， 角焊缝被撕裂的形式通常表现为被切断。
2.2.3连接处的温差应力
管板烟气第一回程入口处受到高温烟气（ 高于 920°C） 的快速冲刷， 放热激烈， 孔桥与烟管之间的缝隙处的水可能产生局部汽化， 形成水一汽二相流体。由于水蒸汽的导热性能很差， 填角焊缝得不到冷却， 传热恶化， 当缝隙的蒸汽压力增大到一定程度之后， 蒸汽向水域膨胀扩散， 蒸汽被水冷却， 锅水又进入缝隙冷却焊接内侧， 产生很大的温差应力。如此反复作用， 形成交替热应力循环， 加速焊缝内侧的开裂。值得指出的是工业锅炉系统的循环水量比对应的蒸汽锅炉进水量要大得多， 当水质处理不良时， 锅筒内壁特别是管板高温段烟管束的内壁很容易凝聚水垢， 而水垢自身的热阻就很大， 使局部壁温升高， 也会增大温差应力。
3结论
从断裂力学的基本原理出发，裂纹的开裂和扩展是由原始裂纹受力而引发的，由上述分析可知，DZL工业锅炉孔桥断裂失效的原因是由于锅炉内在应力引发的，也就是说是由锅炉自身结构不尽合理引起的。例如，烟管不论焊接是胀接，都不可避免地存在与管壁之间的缝隙;烟管为直管，刚性连接，无伸缩余地;管板受高温烟气直接冲刷， 加上运行时启停频繁， 在交变载荷下，引起裂纹的疲劳扩展， 这些都是孔桥断裂失效的原因。至于锅内水循环方式与孔桥裂纹不会产生直接的关系，水质不良会产生水垢，它们都会对锅炉管板孔桥断裂失效产生诱发因素。本文对DZL锅炉管板裂纹的分析，系统的介绍了裂纹产生的原因及危害， 这对减少在用的 DZL 型锅炉的管板及锅壳（ 锅筒） 变形、裂纹等缺陷， 保证DZL型工业锅炉的安全运行，以及卧式锅炉的制造、使用、检验检测、监督管理等工作具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 祝希赟， 关于 DZL 型卧式快装蒸汽锅炉水冷壁管爆管事故原因的探讨[J];内蒙古科技与经济，2007（4）：102.
[2] 王英杰， 金升主编.金属材料及热处理[M] .北京： 机械工业出版社.2006;
[3] 王纪安主编.工程材料与材料成型工艺[M] .北京： 高等教育出版社.2000;
[4] 王龙华.蒸汽锅炉由水质引起锅炉鼓包的事故处理[J]，江苏锅炉，2014（4）34-35;
作者简介：杨田园（1991.12.11—），女，汉族，籍贯：江苏省宿迁市，助理工程师，本科，单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院宿迁分院，研究方向：锅炉检验检测