锅炉拱形管板变形问题的研究

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摘要：通过对拱形锅炉管板的结构、变形、泄漏、试验分析等一系列的情况研究，探讨锅炉前管板变形的问题，并提出改进方案。

Abstract： Through researches of the structure， deformation， leakage， experimental analysis of the boiler tube plate arch， this paper discusses the deformation of boiler front tube sheet and puts forward the improvement plans.

关键词：拱形管板；变形；泄漏；高温烟气

Key words： arched tube plate；deformation；leakage；high temperature flue gas

中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）01-0152-04

1 立项背景和研究意义

锅炉是重要的能源动力设备，承担着把各种一次能源转换为其他能源的重要功能，在国民经济的发展中占有重要的位置。工业锅炉的容量占整个锅炉容量的三分之二左右，数量更是远远大于其他锅炉的数量总和。在工业锅炉中锅壳式锅炉的容量占整个工业锅炉的60%左右，数量占80%左右。[2]锅壳式锅炉结构设计的合理与否对锅壳式锅炉效率的高低、结构的安全性都有着重要的影响。在锅壳式锅炉的受压元件中锅炉管板是非常重要的受压元件，其结构和受力都是最复杂的。在锅炉的实际使用中出现的较多的结构上的故障往往是发生在锅炉管板处。而锅炉管板的结构较为复杂，它是在封头上钻上成排的孔，然后穿上钢管并进行胀接或焊接。它不是单个的一个部件，而应该考虑封头开孔的削弱作用和钢管的加强作用。在以前的研究中很少有对它们共同作用进行研究的，因此，针对管板的整体研究不但有着重要的实际意义，而且有着重要的理论价值。

2 研究内容和方法

卧式烟管锅炉因其经济、安装快捷、占用空间小的特点，在我国工业生产上有广泛的应用。但该炉型有天生的设计缺陷，其中之一就是高温区平管板容易产生裂纹。该炉型大量的损坏、报废、事故都是由平管板裂纹引起的。后来，为了避免平管板的裂纹，锅炉行业做了许多改进工作，其中有些锅炉制造单位就把平管板改进为拱形管板，以增加整个锅炉锅筒的柔性，来减缓管板裂纹的发生。

在近年的检验工作中，发现此种平管板改进为拱形管板的锅炉，使用中多发生拱形管板的变形损坏，甚至导致整个锅炉的报废。希望通过此次对拱形管板变形问题的调查、检测、研究，能对采用拱形管板的卧式烟管锅炉从设计或使用方面提供些改进建议，以保障该型号锅炉的使用安全。

3 基本调查

对锅炉管板变形情况做的基本调查工作。对四台具备条件的锅炉拱形管板进行了烟管管孔变形检测。四台锅炉基本参数和拱形管板的具体变形情况如下。

①武安市伯延镇龙泉糠醛厂（解列）。

位于邯郸市武安市的伯延镇龙泉糠醛厂。

锅炉型号：DZG4-1.25-K3

制造单位：邯郸锅炉厂

运行时间：约3年

变形情况：测量部分烟管外径变形情况见表1。

泄漏情况：有。

运行状况：出现泄漏，淘汰。

②邯郸磁县糠醛厂。

位于邯郸市磁县的磁县糠醛厂。

锅炉型号：DZG4-1.25-K3

制造单位：邯郸锅炉厂

运行时间：2年

变形情况：测量部分烟管外径变形情况见表2。

泄漏情况：有，数根与前管板相连的烟管存在泄露现象，泄露部位为管口内壁鼓起处或管口与管板的连接焊缝处。

运行状况：出现泄漏，淘汰。

③河北宝泰食品有限公司。

位于邯郸市大名县的河北宝泰食品有限公司。

锅炉型号：DZH1-0.7-AⅡ

制造单位：菏泽锅炉厂

运行时间：约2年

变形情况：测量部分烟管外径变形情况见表3。

泄漏情况：有。

运行状况：出现泄漏情况，以及工艺改进，淘汰。

④邯郸市东风造纸有限责任公司。

位于邯郸市魏县的邯郸市东风造纸有限责任公司。

锅炉型号：DZG4-1.25-K

制造单位：吉林省四平锅炉制造有限公司

运行时间：约4年

变形情况：测量部分烟管外径变形情况见表4。

泄漏情况：无

运行状况：一般。

⑤本文通过对不同厂家，不同型号的锅炉，和不同燃料的锅炉的检测对比，发现这类锅炉的拱形管板在使用过程中是普遍存在变形的，而且大部分此类锅炉均出现过泄漏情况，个别单位甚至因为泄漏而导致停止生产，造成重大损失，对锅炉的正常使用，安全使用，起到不可忽略的影响，存在重大安全隐患。

4 解列锅炉研究项目

项目组对邯郸市周边各个地区用于燃烧糠醛废渣的锅炉进行了检测和调查，最终选定此台锅炉进行分解检测。

锅炉详细资料：卧式水火管锅壳锅炉，额定蒸汽压力1.25MPa，锅筒和管板内径1400mm，厚度16mm，材质20g，额定蒸汽温度194℃，辐射受热面积10.38平方，给水温度20℃。

解列前运行情况：累计运行时间约3年，现已停止使用，多次泄漏，烟管处有明显补焊迹象，使用情况较差。

4.1 炉拱形管板有限元分析

有限元分析设计方法和有限元强度校核方法近几年在锅炉的结构设计中有多方面的应用和很大的进步，但是针对锅炉受压元件或受压元件的一定组合（如锅炉管板）的研究还是相对比较少，尤其是针对锅炉管板的研究更是比较少。[3]利用ANSYS有限元分析软件对拱形管板进行应力分析，计算出最大应力值和发生的位置，依此研究管板的变形情况。位移数据见表5。

从图1、图2的求解结果可知：在蒸汽压力为0.50MPa、0.75MPa、1.00MPa、1.25MPa时，最大应力分别为71.15MPa、106.46MPa、141.79MPa、177.11MPa；并且在不同蒸汽压力作用下，管板最大应力出现的位置相同，如图3所示，出现在第一排左起第五根烟管孔右下侧。

由于管板是受热的，在温度200℃左右时，许用应力一般只有125MPa左右。在蒸汽压力为0.50MPa、0.75MPa时管板处于弹性状态；在蒸汽压力为1.00MPa、1.25MPa时，最大应力为141.79MPa、177.11MPa，只是有限元计算的结果，实际上管板局部材料已经进入了塑性变形阶段。

4.2 锅炉拱形管板残余应力实验

利用盲孔法测残余应力，就是在工件上钻一小通孔或不通孔，使被测点的应力得到释放，并由事先贴在孔周位的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力来。这种方法具有较高的精度。

测点部位图见图4。实验结果数据见表6。

5 分析原因及探讨

根据有限元应力分析管板在上椭球部分最大椭圆线附近、下椭球部分最大椭圆线附近、上下椭球部分的交界处应力集中明显，并且上椭球部分和上下椭球交界处的应力集中程度较下椭球部分大；管板烟管孔之间存在较明显的应力集中现象，其集中程度与上椭球部分相当，而且管板最大mises应力就出现在管板烟管孔之间的部位（第一排左起第五根烟管孔右下侧）。这就是烟管应力分布的规律和特点。在额定蒸汽压力作用下管板应力超过许用应力，管板发生了塑性不可恢复变形。管板应变具有与应力分布相同的特性。正是应力、应变在管板上的这种集中现象和其塑性变形导致了管板变形。[3]

研究了管板裂纹产生的原因和预防措施。产生管板裂纹的原因主要有：一是热应力的作用造成管板裂纹。由于金属管板长期受到热应力的作用，这种长期的热应力能够促使金属内部组织发生变化，金属内部组织的变化造成了锅炉管板机械性能的降低，从而促使锅炉管板裂纹的产生。二是受热不均匀造成管板裂纹。一方面，锅炉管板长期受到高温烟气的冲刷，而且每根烟管内的烟气流量不均，这就造成了锅炉不同烟管附近的管板受热不均；另一方面，采暖管锅炉受夏季、冬季和停炉检修等影响，停、烧经常倒换，锅炉管板反复出现热胀冷缩，也是产生裂纹的一个重要原因。三是苛性脆化造成管板裂纹。由于烟气中含有一定浓度的氢氧化钠，氢氧化钠可以使金属发生苛性脆化，管板发生苛性脆化后，其机械性能降低，再加之热应力的作用，也会使管板产生裂纹。锅炉管板裂纹归根结底是由于金属管板内部组织发生变化而产生的。[6]

热应力和苛性脆化造成了锅炉管板机械性能的降低，从而使管板产生不能恢复的变形；管板受热不均匀会造成管板局部应力集中；这三种原因引起的应变只要不超过管板许用极限应变就不会引起管板的裂纹，但是会使管板出现不能恢复的变形，并且伴随有局部变形集中的想象，最终会出现管板变形。[1]

综上所述，锅炉拱形管板变形的原因主要有：①运行工况的波动性；②管板受热不均匀；③管板局部应力集中；④管板塑性变形；⑤管板苛性脆化；⑥热应力的作用。

6 改进措施

根据锅炉管板变形原因和上述分析，本文提出以下改进措施：①在管板上做一层隔热层。在管板上做一层隔热层，既降低了管板的温度又避免了烟气直接冲刷管板，从而降低了热应力和苛性脆化对管板的影响，由于管板不是锅炉的主要受热面，所以，对锅炉的热效应也不会产生很大的影响。②锅炉的运行管理。锅炉运行时要控制过量空气系数，尽量降低前烟箱处的烟气流速，减小管孔处管板的局部热负荷量；避免锅炉频繁启停和压力频繁波动；这样可以避免管板受热不均和局部应力集中。③改善锅炉管板和锅筒过渡区的形状。在工艺许可的条件下尽量采用椭球形管板。否则应借助于数值模拟技术寻求一种介于拱形、椭球形和球形之间的形状。④优化管板烟管孔的布置。⑤加强锅内热介质的扰动。⑥设法降低前管板处的烟气温度。

以上措施从设计上提出了改进的方向，在工艺许可的条件下可以进行积极的探索。在使用管理上，上述措施给出具体可行的方案，对在用锅炉减缓其拱形管板的变形，保证安全生产，具有重要意义。

7 效果

邯郸市锅炉厂，针对改进方案，结合生产实际情况，已对多台锅炉进行验证性改进，对锅炉前管板变形的问题起到一定的减缓的作用，改进后的锅炉热效率没有降低，变形泄漏情况没有出现，现在仍在正常使用，下一步将继续改进方案和措施，优化设计，力争将锅炉前管板变形的问题带来的损害，减至最小，降至最低。

参考文献：

[1]郭平.锅壳式锅炉管板结构应力分析与强度评定[D].兰州理工大学，2008.

[2]吴粤盛.压力容器安全技术手册[M].北京：机械工业出版社，1999.

[3]倪栋.通用有限元分析ANSYS7.0实例精解[M].北京：电子工业出版社，2003：1-8.

[4]张定铨，何家文.材料中残余应力的X射线衍射分析和作用[M].西安：西安交通大学出版社，1999.

[5]王晓洪，赵怀普.盲孔法测残余应力原理及几种打孔方式简介[A].第15届全国残余应力学术交流会论文.

[6]李银国.浅谈锅炉管板裂纹的焊修及预防[J].房建系统，2008年增刊.