工業鍋爐鍋筒鼓包案例分析

張正華

（武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所，湖北 武漢 430024）

工業鍋爐鍋筒鼓包案例分析

張正華

（武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所，湖北 武漢 430024）

對一例鍋筒鼓包進行宏觀檢驗和取樣檢測，分析產生鼓包的原因并提出處理建議。

鼓包；過熱；球化；脫碳

鍋筒是鍋爐的重要受壓元件和傳熱元件，如果鍋筒底部直接承受高溫負荷，加之內部沉積水垢、水渣，工作條件將十分惡劣，極易產生鼓包和裂紋等缺陷。某塑膠廠一臺型號為DZG2-0.7-AⅢ的鍋爐，使用單位在鍋爐運行中發現鍋筒底部鼓包。該鍋筒采用厚10mm的20g （GB/713-1997）鋼板制成。

1 鍋爐鍋筒鼓包宏觀檢驗

鼓包中心位置位于鍋筒底部前側距兩筒節環縫400mm處，變形區域近似橢圓（350×280mm），長軸與鍋筒軸線平行，鼓包高度55mm，鼓包頂端有長約20mm裂口。

鍋筒有結垢現象，厚度0.5～2.5mm，底部最厚2.5mm。鼓包的向火側氧化較嚴重，甚至出現剝落的現象。

2 取樣檢測

將鼓包的鋼板整體割下，分別在鼓包開裂處（即鼓包變形最大的頂部部位）和鼓包起始處（即開始發生鼓包變形的部位）取樣進行金相檢測、硬度檢測以及材質檢測，試樣檢測面均為向火側。

2.1 金相組織

金相檢測采用的侵蝕劑均為4%硝酸酒精溶液，檢測結果如圖1、圖2所示。

由金相圖片可以看出鼓包起始處的金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體形態尚明顯，但區域中的碳化物已經分散，并逐漸向晶界擴散，屬于三級球化。鐵素體的晶粒度為7～8級。

鼓包開裂處的金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體形態消失，區域中的碳化物已經逐漸長大，逐漸向晶界擴散并沿晶界成鏈狀分布，屬于五級球化，鐵素體的晶粒度為7～8級。

以上金相檢測結果表明，鍋筒鼓包處金相組織發生了變化，雖然鼓包起始處和鼓包開裂處的晶粒度區別不大，但兩處的金相組織中球光體球化程度有較大區別。

圖1 鼓包起始處金相組織 500倍

圖2 鼓包開裂處金相組織 500倍

2.2 硬度

對兩處試樣進行硬度檢測，結果是鼓包起始處的平均硬度為119HB，鼓包開裂處的平均硬度為104HB。

2.3 材質

在兩處取樣進行化學成分試驗，兩處取樣的主要化學成分結果與GB/713-1997中25mm以下厚度的20g鋼板的技術要求見表1。由表1可見兩處的主要化學成分區別并不大，但是兩處的含碳量均偏低。

表1 化學成分試驗結果

3 討論與分析

鍋筒有較嚴重結垢現象表明鍋爐給水品質不符合要求，導致鍋筒底部結生水垢太厚，因水垢的導熱系數僅有鋼板導熱系數的幾十分之一到近百分之一，相當于一層隔熱體鋼板受到爐內輻射熱后，從而嚴重阻礙了鍋筒底部的傳熱，使鍋筒底部得不到有效地冷卻，金屬壁面溫度會急劇升高，導致鼓包處受熱過高。

鼓包處向火側出現可剝落的氧化層也表明此處在使用過程中受熱過高。

通過以上檢測試驗，鼓包處金屬材料受熱過高導致了以下三個方面的結果。

3.1 受熱過高直接導致使用狀態下金屬強度比設計低

金屬在一定使用溫度下會隨使用溫度的升高其強度會降低。這是因為金屬材料由金屬原子組成，溫度上升，其原子活動更加劇烈，其組織結構就表現出不穩定性，因此強度就下降，受到外力也就容易變形。

例如20號鋼在250℃時抗拉強度為470MPa，而500℃時，其抗拉強度只有100MPa左右。鍋筒在使用狀態下，結垢嚴重處的金屬壁溫比設計高很多而直接導致金屬強度比設計預期低，在鍋內介質壓力作用下鍋筒就可能會在底部結垢部位發生鼓包。

3.2 金相組織發生珠光體球化導致金屬性能下降

通過上述試驗結果可知：鼓包起始處和鼓包開裂處的金相組織雖然均為鐵素體+珠光體，而且二者鐵素體的晶粒度區別也不大，但是后者珠光體球化更為嚴重，這是因為鍋筒內存在水垢，造成鼓包局部受熱不均且受熱過高致使珠光體球化加劇。

參照DL/T674-1999可知20號鋼在未球化、3級球化、完全球化時對應的常溫性能如表2。20g珠光體球化不僅會導致其蠕變極限下降25%左右，而且其它的性能也會降低。

因此，結垢處金屬發生球化使其金屬性能下降可能導致鍋筒鼓包。

表2 20號鋼在不同球化等級下的常溫機械性能

3.3 在過熱條件下工作致使金屬脫碳，從而使金屬硬度、強度降低

試驗結果表明兩處的化學成分雖然符合GB/713-1997，但是含碳量偏低，這是因為鼓包處受熱過高，造成一定的脫碳現象，參照硬度試驗的結果正好也表明碳含量的降低致使兩處的硬度值低于相應球化等級下的硬度值。一般情況下，金屬材料的硬度和強度存在對應關系，即硬度越高，一般強度越高。因此脫碳也導致了金屬強度下降從而可能導致鍋筒鼓包。

以上三個因素對鍋筒發生鼓包、甚至開裂失效的均存在促進作用，但是其作用大小可能有所不同。

4 結論及處理建議

該鍋筒鼓包失效是由于在鼓包處積存大量的水垢，嚴重影響了熱傳導，使得鼓包處金屬材料受熱過高，從而導致該處存在促進鍋筒鼓包失效的三個具體因素：

（1）使用狀態下金屬強度比設計低；

（2）發生珠光體球化導致金屬性能下降；

（3）金屬脫碳使金屬硬度、強度降低。

由于鍋筒的鼓包嚴重，無法采用加熱、頂壓工藝使鍋筒恢復原狀。

因此，根據相關法規標準的規定和使用單位的要求，可對鍋筒底部嚴重鼓包部位采用挖補方法進行修復。另外，使用過程中要嚴格保證鍋爐水質，定期除垢。

[1]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T674-1999.火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準[S]. 北京：中國電力出版社，1999.

[2]國家技術監督局.GB713-1997.鍋爐用鋼板[S]. 北京：中國標準出版社，1998.

[3]李愛民，姚華明.KZ型臥式外燃快裝鍋爐鍋筒底部鼓包的原因及處理[J].機械研究與應用，2005,18(6):115～116.

TK228

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1671-0711（2016）11（下）-0062-02