工業鍋爐煙管彎曲變形失效分析

趙昆玉 邱康勇

（深圳市特種設備安全檢驗研究院 深圳 518029）

工業鍋爐煙管彎曲變形失效分析

趙昆玉 邱康勇

（深圳市特種設備安全檢驗研究院 深圳 518029）

工業鍋爐運行中發生煙管彎曲變形失效。借助化學成分分析、拉伸試驗、金相檢驗等對其彎曲變形的原因進行了分析。結果表明：該工業鍋爐煙管彎曲變形是因為管壁溫度較高，在煙管重力和熱應力長期作用下的結果。

工業鍋爐 煙管 彎曲變形

2015年10月，深圳某熱力發電廠在用工業鍋爐的二、三回程煙管發生大量彎曲變形失效。該工業鍋爐型號為WNS12-1.25-Y(Q)，采用三回程管板式結構，煙管采用20#無縫鋼管，二回程煙管為螺紋管，規格為φ51×3mm，長5200mm；三回程煙管為直光管，規格為φ51×3mm，長5912mm。二回程和三回程煙管固定在管板上，中間無支撐。該鍋爐累積運行10余年，累計運行時間9300多小時，起先作為啟動鍋爐使用，使用頻率較低。由于生產需要。自2013年起轉為正常鍋爐使用，每天運行10多小時，使用頻率高，鍋爐負荷較大。

為查明該工業鍋爐煙管彎曲變形失效原因，防止失效事故損傷的擴大，并預防類似失效事故再次發生，筆者對發生彎曲變形失效的煙管進行理化性能、顯微組織等方面分析研究。

1 宏觀檢測

打開頂部人孔，從頂部進入鍋爐內部，對二、三回程煙管變形情況進行檢查，檢查結果表明：鍋爐二、三回程煙管發生變形的數量較多，彎曲變形，彎曲量最大位置近似在煙管中間部位，在近管板的兩端區域，存在局部上翹變形（見圖1）。

圖1 鍋爐二、三回程煙管彎曲變形情況

打開鍋爐前后蓋，采用煙管透光性對其彎曲變形情況進行逐根檢查（因二回程進口煙室在三回管管板后面，無法采用此方法對其彎曲變形情況進行檢查，因此在鍋爐外部只能對三回程煙管變形情況進行檢查）。三回程煙管分布在鍋爐外圍兩側，兩側彎曲變形情況基本一致，檢查結果分為四個區域：最上部紅色區域為不透光區域，彎曲變形最嚴重；較上部紫色區域為零星透光區域，說明該區域彎曲變形比較嚴重；黃色區域為半透光區域，說明該區域彎曲變形相對較輕；其他區域為近似全透光區域，說明該區域僅發生輕微彎曲變形（見圖2）。由此可見，三回程煙管變形由下到上煙管彎曲變形日益加重，最上部為不透光區域。

圖2 三回程煙管分布情況

已拆卸的二、三回程煙管也顯示煙管變形明顯，圖3為一根三回程煙管變形情況，相對兩端，最大彎曲量達到18cm。

圖3 三回程煙管變形情況

2 理化檢驗

2.1 化學成分分析

分別從二回程、三回程煙管上取樣，采用臺式光譜儀對其進行化學成分分析，分析結果見表1。結果表明：二、三回程煙管化學成分均符合GB 3087ü 2008對20#鋼的技術要求。

表1 化學成分分析結果Wt/%

2.2 力學性能測試

分別在二、三回程煙管變形較小的直管段取樣，進行拉伸試驗，以核查材料的力學性能是否滿足相關技術標準要求。拉伸試驗結果見表2。結果表明：二、三回程煙管的材料力學性能GB 3087ü2008對20#鋼的技術要求。

表2 拉伸試驗結果

2.3 金相組織分析

分別對二回程最大變形煙管、最小變形煙管及三回程最大變形煙管進行金相分析，經鑲嵌、磨拋，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，用蔡司光學顯微鏡進行觀察分析。由于煙管內是高溫煙氣，煙管外是冷卻鍋水和蒸汽，金相組織可能存在差異，因此，金相分析區域分為煙管外表面、煙管中間部位及煙管外表面三個部分。

●2.3.1 二回程最大變形煙管

由于二回程進口處溫度最高，考慮管和管板之間的熱應力因素，二回程最大變形煙管取進口段向上翹起處以及翹起處向中間方向200mm處進行金相組織分析，顯微組織見圖4~圖6。

圖4 二回程最大變形煙管外表面500X

圖5 二回程最大變形煙管中間部位 500X

圖6 二回程最大變形煙管內表面500X

圖4表明，靠近外壁出現晶粒大小不一，熔合長大的混晶區域，該處發生了恢復再結晶現象，再結晶區深度約為0.25mm，表面二回程煙管出現了短時高溫影響，根據Fe-C平衡圖可知，其溫度應在700℃以上。圖5 ~圖6表明，在中間部位和內表面未見恢復再結晶現象發生。從圖4 ~圖6可知，該處煙管帶狀組織傾化從外表面到內表面越來越大，煙管外表面晶粒為近似等軸晶，而內表面的帶狀組織近似3級。參照DL/T 674ü1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》可知，該處煙管內表面球化級別為2~3級。

圖7 ~圖9為二回程最大變形煙管向上翹起處向中間方向200mm處的金相組織。從圖7~圖9可知，該處煙管恢復再結晶的區域程度要比翹起處小得多。而帶狀組織分布情況及球化情況與二回程最大變形煙管進口端向上翹起處相類似。

圖7 二回程外表面（100X）

圖8 二回程中間部位（100X）

圖9 二回程內表面（100X）

●2.3.2 二回程最小變形煙管

圖10 ~圖12為二回程最小變形煙管進口端處從外表面、中間部位到內表面的金相組織分布圖。從圖10 ~圖12可知，二回程最小彎曲變形煙管外表面未發生恢復再結晶現象，靠近外表面處為等軸晶粒，向內有帶狀組織趨向，從中間部位到內表面，帶狀組織級別越來越高。

圖10 二回程最小變形煙管外表面（500X）

圖11 二回程最小變形煙管中間部位（500X）

圖12 二回程最小變形煙管內表面（500X）

●2.3.3 三回程最大變形煙管金相分析

三回程最大變形煙管取進口端向上翹起處進行金相分析，金相觀察區域為該處橫截面外表面部位、中間部位及內表面部位，見圖13 ~圖15。

從圖13 ~圖15可知，三回程煙管帶狀組織分布比二回程煙管小得多，從外表面到中間部位，皆為等軸晶分布，僅在內表面出現帶狀組織，帶狀組織級別也明顯比二回程煙管內表面帶狀級別低。參照DL/T674ü1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》可知，該煙管從外到內，球化都比較嚴重，珠光體球化級別可達4級。

圖13 三回程最大變形煙管外表面（500X）

圖14 三回程最大變形煙管基體（500X）

圖15 三回程最大變形煙管內表面（500X）

3 分析與討論

化學成分分析和力學性能試驗結果表明鍋爐煙管20號鋼滿足GB 3087ü2008的相關要求。《鍋爐安全技術監察規程》規定，20#鋼作為受熱面管子使用時，壁溫需小于等于460℃。當20#鋼用于二回程煙管時，需嚴防缺水現象發生。因為爐膽出口煙溫一般都在700~800℃以上，在無良好冷卻的情況下，20#鋼用在二回程煙管極易超溫使用，使材質變軟，甚至過熱、過燒，產生鍋爐爆管等事故。

金相分析可知，二回程煙管存在恢復再結晶現象，表明二回程煙管局部短時缺水、過燒情況。二回程煙管因為原始組織不同，內表面存在級別較大的帶狀組織，而外表面為等軸晶區，致使在高溫煙氣作用下，在外表面發生的恢復再結晶現象。二回程煙管存在輕度球化現象，球化級別為2級左右。

與二回程煙管短時超溫問題不同，三回程煙管則主要存在嚴重的球化現象，球化級別為4級，這是較高溫度長期作用的結果。根據現場檢查可知，上部的彎曲變形情況比下部嚴重，這是由于下部以鍋水為主，而上部為汽水混合物的緣故，因汽水混合物冷卻效果較差，從而造成煙管壁溫升高。通過合理控制鍋爐水位，應能有效防止煙管壁溫過高，避免或延緩組織球化發生。

從鍋爐內部檢查發現，二、三回程煙管最大彎曲變形量近似煙管中間，即位于煙管撓度最大處。這是煙管過長（≥5200mm）,中間無任何支撐的設計，在重力作用下，造成撓度過大，使煙管總體向下彎曲變形。特別在管壁高溫、材質變軟的情況下，撓度的增加更加明顯。煙管與管板采用焊接方式連接，在高溫、過熱的情況下，會產生較大的熱應力，熱應力最終體現在管板和煙管的連接處。由于管板較厚，穩固形強，變形較小，最終導致煙管兩端向上翹起狀。

煙管總體向下彎曲，兩端向上翹起是由于材料高溫作用下，重力及熱應力共同作用的結果。

4 結論與建議

鍋爐煙管彎曲變形是由于鍋爐運行時缺水或水位偏低，造成管壁溫度偏高，在兩端固定管板之間的熱應力及其自身重力的作用所致。

建議：1）加強鍋爐運行管理，合理控制鍋爐水位，嚴防缺水現象發生，防止二回程進口及鍋爐頂部煙管溫度過高；2）在臥式煙管鍋爐標準及設計規范中，當煙管過長時，應考慮動載、高溫等因素影響，采用合理的結構形式，防止撓度過大導致失穩發生。

[1] 戴曦，黃為贊．一起鍋爐煙管漏水質量事故的分析及解決辦法[J]．機電工程技術，2013，42（06）：208-212.

[2] TSG G0001—2012 鍋爐安全技術監察規程[S]．

[3] 張棟，鐘培道．失效分析[M]．北京：國防工業出版社，2005：198-206．

Bending Deformation Fracture Analysis on Fire Tubes of an Industrial Boiler

Zhao Kunyu Qiu Kangyong
（Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029）

The fire tubes bended when the industrial boiler was in service. Through a series of testing methods including chemical composition analysis, tensile test and metallographic examination, the fracture cause was analyzed. The results showed that the gravitational force of the fire tubes and the heat stress caused the bending fracture of the fire tubes while the temperature of tube wall was very high.

Industrial boiler Fire tube Bending deformation

X933.2

B

1673-257X(2016)11-0056-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.014

趙昆玉(1961～)，男，本科，技術部部長，高級工程師，從事承壓特種設備檢驗研究與技術管理工作。

2016-01-12）