锅炉过热器改造

第３７卷第２期２００８年３月

石油化工设备

ＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＱＵＩＰＭＥＮＴ

Ｖ０１．３７Ｎｏ．２

Ｍａｒ．２００８

文章编号：１０００—７４６６（２００８）０２一００８０—０３

锅炉过热器改造

陈玮栋

（上海华谊丙烯酸有限公司，上海２００１３７）

摘要：１台使用了大约５ａ的蒸汽锅炉过热器（使用压力２．０ＭＰａ，蒸汽产量１７ｔ／ｈ左右，使用温度３５０℃）在出口集箱管和盘管的焊缝及其热影响区内出现了网状裂纹，蛇形盘管多次发生开裂和断裂。分析认为，该过热器产生裂纹甚至断裂与结构、材料和焊接等因素有关。通过增加膨胀弯和更换材质，减小了焊接缺陷，改善了应力状态，使用效果良好。

关键词：锅炉；蒸汽过热器；失效；原因分析；改造

中图分类号：ＴＫ２２３．３２文献标志码：Ｂ

ＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆＳｔｅａｍＢｏｉｌｅｒＳｕｐｅｒｈｅａｔｅｒ

ＣＨＥＮＷｅｉ—ｄｏｎｇ

（ＳｈａｎｇｈａｉＨｕａｙｉＣｒｙｌｉｃＡｃｉｄＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００１３７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｉｓａｂｏｕｔａｓｔｅａｍｂｏｉｌｅｒｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｒ（ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓ２．０ＭＰａ，ｓｔｅａｍｑｕａｎｔｉｔｙｉｓａｂｏｕｔ１７ｔ／ｈａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ３５０℃ｏｒｓｏ），ａｆｔｅｒｉｔｈａｓｂｅｅｎＵｓｅｄｆｏｒ４ｔＯ５ｙｅａｒｓ．ｔｈｅｎｅｔｌｉｋｅｃｒａｃｋｌｅｂｅｇａｎｔｏａｐｐｅａｒｉｎｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｌｉｎｅ，ｉｎｉｔｓｈｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｏｆｔｈｅｃｈａｎｎｅｌｏｕｔｌｅｔｔｕｂｅａｎｄｔｈｅｓｐｉｒａｌｔｕｂｅ。ｔｈｅｃｒａｃｋａｎｄｆａｉｌｕｒｅｏｃｃｕｒｒｅｄｉｎｔｈｅｓｎａｋｅｌｉｋｅｓｐｉｒａｌｔｕｂｅｔｉｍｅａｆｔｅｒｔｉｍｅ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｎａｌｙｚｉｎｇ，ｔｈｅｃｒａｃｋａｎｄｆａｉｌｕｒｅｗｅｒｅｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｓｔｒｕｃ—ｔｕｒｅ，ｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｗｅｌｄｉｎｇ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｏｆｅｘｐａｎｓｉｏｎｊｏｉｎｔｒａｔｉｏｅｎｌａｒｇｅｄ，ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｍａｔｅｒｉａｌｓｅｌｅｃｔｅｄ，ｗｅｌｄｉｎｇｄｅｆｅｃｔｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｓｓｔｉｌｌｇｏｏｄａｆｔｅｒ３ｙｅａｒｓ’ｕｓｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｏｉｌｅｒ；ｓｔｅａｍｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｒ；ｆａｕｌｔ；ｒｅａｓｏｎａｎａｌｙｓｉｓ；ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ

某厂锅炉过热器，为该厂汽轮机提供过热蒸汽，该过热器的使用压力为２．０ＭＰａ，蒸汽产量１７ｔ／ｈ，温度不超过３５０℃，其集箱管材料原为１５ＣｒＭｏ，蛇形盘管的材料为ｏＣｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ。该过热器在使用了约５ａ后，在出口集箱管和盘管的焊缝及其热影响区内出现了网状裂纹，蛇形盘管多次发生开裂和断裂。虽经检修并将集箱管的材料更换为０Ｃｒｌ９Ｎｉ９，但仍存在类似问题。为此对该过热器进行了改造，改造后使用情况良好。

１结构问题

该过热器为卧式结构，蛇形盘管采用带抱箍的固定支架支撑，热膨胀时盘管可在抱箍内滑动以释放热应力。由于炉内温度变化较大，经过长期使用后，蛇形盘管抱箍产生的变形及管子外壁积垢等对盘管的滑动产生阻碍，使其在高温下产生的热应力无法释放，改变了结构的热应力分布。受蒸汽压力波动、盘管积垢受热不均、过热器升温不均匀以及升温过快等因素的影响，可造成设备的失效。

盘管与集箱管连接处的结构见图１。这种结构限制了盘管热应力的释放［１］。对该结构进行的有限元分析表明，在盘管与集箱管的角焊缝有多处应力接近甚至超过材料的许用应力，最大处应力达到４００ＭＰａ，远大于１５ＣｒＭｏ在３５０℃时的许用应力（１３５ＭＰａ）。

收稿日期：２００７—０９－２５

作者简介：陈玮栋（１９７０一），男，上海人，工程师，学士，主要从事各类化工设备与机器的安装调试、检修以及各类常压设备的制造工作。

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第２期陈玮栋：锅炉过热器改造

厂。‘、娑√、集箱管

图１集箱管结构示图

２材料和焊接

该过热器盘管材质为ｏＣｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ，集箱管材质为１５ＣｒＭｏ。从设备的使用温度和使用压力来看，选材是合理的，但由于０Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ是奥氏体不锈钢而１５ＣｒＭｏ是珠光体钢，二者进行焊接时难免会产生缺陷使设备的可靠性下降。相关资料表明，这两种钢焊接易出现焊缝金属稀释和碳扩散迁移，其焊缝塑性较差，可使高温性能下降，因此一般要避免珠光体和奥氐体的焊接，如不可避免应采用过渡段。据此将集箱管材料改用０Ｃｒｌ９Ｎｉ９后，仍出现失效。分析认为，奥氏体不锈钢的热膨胀系数大而导热系数小，焊接时极易产生微小热裂纹，在焊接较厚的或壁厚差异较大的零件（集箱管的壁厚为１０ｍｉｌｌ，盘管的壁厚为３．５ｒａｍ）时会产生较大的收缩应力，在金属凝固时易出现热裂纹。在奥氏体不锈钢的焊缝中，除了会析出碳化物外，还会析出中间金属化合物，使钢材脆化，因此要进行固溶处理，但现场施工不具备这样的条件。所以虽然是奥氏体同种钢焊接，但焊接质量不能保证。此外集箱管开孔较密，焊缝间距小，焊接应力相互叠加，更容易出现开裂等失效现象‘扪。

３改造

３．１材料更换

根据以上分析结果和工厂的实际情况，考虑到过热器的压力、温度都不很高，将出口集箱管的材料改为２０９。出口集箱管选择２０９可避免奥氏体钢和珠光体钢焊接及其焊接时产生的焊接缺陷，此外，２０９的焊接工艺也比较成熟，焊接所需的必要条件也较简单。

但２０９在３５０℃左右时的屈服强度比１５ＣｒＭｏ低［３］，因此改造时将集箱管的壁厚从原来的１０ｍｍ增加到１２ｍｍ［４。。

３．２结构改造

为了释放蛇形盘管受热后产生的热应力，在蛇形盘管与集箱管接头前增加了膨胀弯，见图２。考虑到盘管材质是ｏＣｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ而集箱管材质选用了２０９，为了避免现场异种钢焊接，膨胀弯材质也采用了２０９，并在膨胀弯前增加一段０Ｃｒｌ９Ｎｉ９的钢管作为过渡段。在制作出口集箱管时，事先将过渡段焊在膨胀弯上，这样现场焊接就变为奥氏体不锈钢的同种钢焊接。由于盘管直径小、壁厚薄、薄膜应力小，所以出现热裂纹的可能性大为下降。经有限元分析，膨胀弯结构的角焊缝处应力明显下降，３６根蛇形盘管的接头应力无一超出许用范围，较原来的结构合理。

图２改造后的集箱管结构示图

３．３角焊缝坡口形式

原来的角焊缝采用全焊透结构，见图３。这是一种常见结构，其综合性能较好。但这类焊缝热影响区大，对焊工的要求高，安装位置不易保证，易产生安装应力。改造时采用了一种较新的不焊透结构，见图４。该结构安装定位好，盘管与集箱管接触良好，应力集中程度低，抗疲劳能力强。菹毖艚

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图３原角焊缝坡口示图

４结语

该过热器改造之后运行良好，但仍存在着一些

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