一起爐膛水冷壁爆管事故的原因分析及預防

摘 要：通過對一起高壓蒸汽燃氣鍋爐試運行階段爐膛水冷壁爆管事故的原因分析，闡明了珠光體的高溫球化現象對金屬強度的影響，指出按章操作的重要性和必要性，正確的烘爐操作是避免發生烘爐階段爆管事故的關鍵。

關鍵詞：水冷壁過燒；珠光體球化；烘爐

新疆某化工企業為了擴大生產規模，2013年訂購我公司一臺75噸燃天然氣高溫高壓鍋爐，鍋爐型號為ZG-75/10.5-Q，鍋爐采用自然循環，室外布置結構。本鍋爐整體布置采用傳統的前吊后支，“Π”型布置，爐膛水冷壁系統和過熱器全部懸吊于鍋爐頂板上，省煤器、空氣預熱器支在尾部鋼架上。爐膛部分采用敷管式輕型爐墻，過熱器及尾部豎井煙道采用耐火磚+硅酸鋁纖維板+硅藻土保溫磚+鋼護板的重型爐墻結構。

鍋爐于2013年5月投入試運行，鍋爐試運行幾小時突發爐膛水冷壁爆管事故而緊急停爐。后經檢查發現，爆管處位于上層燃燒器上部大約1米左右。管子爆破口呈現出明顯撕裂減薄狀、破口邊緣鋒利，周圍沒有細小的裂紋（見圖2）。同時其附近相鄰的2到3根水冷壁管子在相同高度也出現不同程度的脹粗鼓包、彎曲現象，管子已經處于失效狀態，呈現出明顯的高溫蠕脹特征。初步判斷爆管是由于前期烘爐過程中局部高溫過燒引起的。

為了進一步查明管子破壞的原因，我們對切割下來的材質為20G（GB5310）的高壓鍋爐管變形部分進行了金相分析，結果發現材料原本的珠光體結構發生了明顯的改變，滲碳體層出現了嚴重的球化現象，晶界變得模糊不清。而同一根管子未變形部分的金相組織形態正常，排除由于材質問題導致爆管的可能。我們知道，珠光體鋼在其允許使用溫度范圍內長期工作會出現緩慢球化的趨勢（見表1），從表1中不難發現珠光體球化會使鋼材的抗拉強度和屈服極限出現不同程度的下降，即珠光體球化越嚴重，材料的高溫強度就越低。從材料球化程度來看，基本可以確定水冷壁爆管部位存在較長時間的高溫“過燒”現象。

經過和司爐人員交談得知，由于用戶工期太緊，鍋爐在砌筑完成后并沒有按照鍋爐使用說明書中相關規定的烘爐時間和溫度控制曲線進行烘爐，而是采用通過燃燒器直接燃燒天然氣使鍋爐升溫的方式進行，由于要控制升溫速度，在烘爐過程中采取了只開引風機不開鼓風機的方式。由于火焰剛度不夠，在尾部微負壓的作用下，火焰基本沿前墻向上爬升。這樣在火焰直接與水冷壁接觸部位就會形成局部高溫區。而在鍋爐的烘爐階段，由于鍋爐蒸發量很小，僅需要極少量的間斷補水。在水冷壁管、下降管、下聯箱及鍋筒組成的簡單回路中，鍋筒與水冷壁下聯箱間的重位壓差作為循環動力而形成的微弱水循環，使水冷壁的向火面得到有效冷卻。然而局部的高溫使管內貼壁的水迅速汽化，形成大量氣泡，由于沒有足夠的循環水量將產生的氣泡及時帶走，使大量氣泡在管壁上聚集，氣泡阻隔了水與管壁的接觸，氣泡的冷卻及傳熱效果又非常差，從而使該處管壁溫度在短時間內迅速升高，其結果就是管子材質在長時間高溫下發生嚴重的球化現象，使得管子強度大幅降低，發生高溫蠕變。只是由于烘爐期間鍋爐基本不帶壓而煮爐其間運行壓力較低而沒有暴露問題。

現場經與用戶溝通，用戶基本同意以上原因分析。現場將發生爆管和熱脹彎曲變形的管子割掉后重新插入新管，改造完成后鍋爐順利投入運行，各項參數均達到設計要求，保證了用戶的生產。

那么如何避免在鍋爐的烘爐過程中發生水冷壁“過燒”的事故呢？

首先，應當明確鍋爐烘爐的目的。新安裝的鍋爐，在爐墻材料中及砌筑過程中吸收了人量的水份，如與高溫煙氣接觸，則爐墻中含有的水份因為溫差過人，急劇蒸發，產生大量的蒸汽，進而由于蒸汽的急劇膨脹，使爐墻變形、開裂。所以，新安裝的鍋爐在正式投產前，必須對爐墻進行緩慢烘爐，使爐墻中的水份緩慢逸出，確保爐墻熱態運行的質量。

根據鍋爐的結構特點一般采用火焰烘爐的方法。

火焰烘爐：由于烘爐初期溫度不能升的太高太快，一般烘爐初期熱源采用木柴居多。

（1）在燃燒室中部堆架木柴，點燃后使火焰保持在中央，利用自然通風保小火，燃燒維持2-3天，火勢由弱逐步加大。（2）第一天爐膛出口排煙溫度應低于50℃，以后每天溫升不超過20℃，未期最高溫度<220℃，保溫2-3天。（3）烘爐后期約7-12天可改為燃氣烘爐，保持爐膛燃燒室負壓要求。（4）烘爐時間以14-16天，結束燃燒停爐。（5）操作人員每隔2小時記錄一次煙溫，嚴格按要求控制煙溫確保烘爐質量。（6）烘爐時間與煙氣溫度的關系曲線，可參考下面烘爐曲線圖3。

烘爐的具體操作：

（1）關閉汽包兩側入孔門。（2）用除鹽水經冷水系統向汽包內進水，并輪流打開各排污閥門疏水、排污、沖洗鍋爐受熱面及汽水系統和各閥門。（3）有爐水取樣裝置，取爐水樣分析，確認水質達標后，停：沖洗關閉各疏水、排污閥門。（4）向汽包內緩慢送水，水位控制標準水位±20mm。（5）烘爐前，應適當打開各檢查門，以便及時排除爐內的潮氣。（6）在燃燒室中央堆好木材，在木材上澆上柴油點火，用木材要求烘爐2～3天，烘爐時，可適當開啟送風機，增大進風量，以維持一定的爐溫，保證煙溫，確保將爐墻烘干。（7）木材烘爐結束，可按要求進行后期燃氣烘爐，此時，應增加送風機開度，微開引風機，關閉檢查門，進一步提高煙溫，烘干爐墻。（8）定期檢查各膨脹指示器、水位計，確保鍋爐運行正常，如有異常發現，應及時匯報，妥善處理。（9）定期定時檢查，記錄煙溫，確保烘爐質量。（10）由灰漿放樣處取樣，進行含水率分析，當灰漿含水率≤7%時，表明烘爐己達要求。

烘爐注意事項：

（1）烘爐時，不得用烈火烘烤，溫度的升速應緩慢均勻，要求最大升溫速度小于20℃/天。（2）烘爐過程中要定期檢查汽包水位，使之經常保持在正常范圍。（3）烘爐中爐膛內的燃燒火焰要均勻，不能集中于一處。（4）烘爐過程中可用事故放水門，保持汽包水位，避免雜物進入過熱器內。（5）烘爐過程中要定時記錄煙氣溫度，以控制溫升速度和最高溫度，不超過規定要求。

綜上所述，該起水冷壁爆管是一起典型的不按章操作引起的事故。因此加強司爐人員的學習、培訓，提高司爐人員按章操作的意識，才是減少鍋爐誤操作的關鍵。

參考文獻

[1]林宗虎，徐通模.鍋爐使用手冊[M].化學工業出版社，2009，4.

[2]馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計算[M].科學出版社，2003.

[3]趙欽新，惠世恩.燃油燃氣鍋爐[M].西安交通大學出版社，2000，6.

作者簡介：崔穎輝，工程師，2002年畢業于鄭州大學，畢業至今一直在鄭州鍋爐股份有限公司從事鍋爐開發、設計工作。