工業鍋爐水冷壁管爆管、變形鼓包的原因及分析

劉偉 陳龍

摘要：本文以某紙業公司#2工業鍋爐為例，分析工業鍋爐水冷壁管爆管、變形鼓包的原因，主要剖析水冷壁管的厚度、管材成分、力學特性、垢樣成分和斷口能譜等多個方面，證明工業鍋爐水冷壁管爆管、變形鼓包問題是水冷壁管內壁結垢所致。解決水冷壁管內壁結垢問題則應用甲酸和羥基乙酸予以侵洗，實踐證明有效可行。

關鍵詞：工業鍋爐；水冷壁管；變形鼓包；爆管問題

1 項目概況

某紙業公司#2工業鍋爐是一臺高溫、高壓煤粉爐設備，其額定工作壓力9.8MPa，額定蒸發量240t/h，額定溫度540℃。該煤粉爐設備從2003年開始投入生產，目前運行時間超過10萬小時。運行期間，該爐的水冷壁管未出現過問題。2015年七月份全面檢驗過程中，發現水冷壁多個部位已出現鼓包，因而在檢查后局部更換了鼓包的部分水冷壁管。2016年二月份，該煤粉爐運行過程中發生了爆管問題。再次檢查水冷壁管發現，諸多部位的鼓包現象更為明顯。

2 #2工業鍋爐水冷壁管爆管、變形鼓包的原因分析

#2工業鍋爐采用的水冷壁管規格為20G（Φ60×5mm）。取爆管和鼓包管各一段作為試驗的樣本，分別對冷壁管的厚度、管材成分、力學特性、垢樣成分和斷口能譜等多個方面予以分析。

2.1 冷壁管的厚度

對爆管和鼓包管的樣本進行多部位測量發現，爆管的水冷壁厚最小約為4.70mm，鼓包管的水冷壁后最小約為4.43mm，最薄處的厚度與原有厚度明顯減小。而水冷壁管背離火源一端則沒有明顯的厚度變化。爆管則在爆口位置出現很大的塑性變化，邊緣位置的厚度僅為2.4mm。鼓包管（除了出現鼓包部位以外的正常段）厚度則為4.4mm，其他正常。

2.2 管材成分

根據《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法GB/T43362002》的要求完成對爆管和鼓包管分別取樣并分析其化學組成成分。從分析的結果來看，與《高壓鍋爐用無縫鋼管GB53101995》所要求的20G（Φ60×5mm）鋼管相比而言，同屬一種材質，且同時能夠達到《高壓鍋爐用無縫鋼管GB53101995》的具體指標要求。

2.3 力學特性

水冷壁管背離火源一端和臨近火源一端的爆管分別取樣以備拉伸試驗所用。水冷壁管背離火源一端的爆管試樣取編號1#試驗（含11和12），臨近火源一端的爆管試樣取編號2#試樣（含21、22、23和24），臨近火源一端的鼓包管試樣取編號3#（含31和32）。以上試樣均利用瓦片形狀按比例進行拉伸試驗。從已知的試驗結果來看，所有背離火源一端的試樣在拉強和屈強、伸長率三個方面都能滿足《高壓鍋爐用無縫鋼管GB53101995》現行標準的要求。而臨近火源一端的試樣僅有21試樣可以滿足《高壓鍋爐用無縫鋼管GB53101995》現行標準的要求。22試樣的試驗拉強約624MPa，顯然達不到《高壓鍋爐用無縫鋼管GB53101995》現行標準的要求，所得13.44%的拉伸率卻遠遠低于《高壓鍋爐用無縫鋼管GB53101995》現行標準的要求。臨近爆管口部約20mm位置的試驗數據則能達到《高壓鍋爐用無縫鋼管GB53101995》現行標準的要求，23試樣在拉強和伸長率兩個方面可以達到《高壓鍋爐用無縫鋼管GB53101995》現行標準的要求，24試樣的試驗拉強則要大大高于《高壓鍋爐用無縫鋼管GB53101995》標準要求的標準值。通過以上試驗可知，爆管臨近火源一端的管材組織發生了變化導致強度有所增大，與之同時塑性變差。

2.4 垢樣組成成分分析

通過試驗分析水冷壁管內壁的垢樣組成成分含量比例為：SiO2：CaO：Al2O3 ：P2O5： Fe2O3：，Gd2O3=4.06：7.12：1.95%：534：72.53：4.90。為測定水冷壁管內壁的垢量可先將出現鼓包問題的水冷壁管制作成為30mm×3mm的管節，采用5%濃度鹽酸+0.3%濃度的緩蝕劑+0.3% 1227添加劑的混合介質對管節予以侵洗（55℃環境），將侵洗下來的垢體進行稱量，多次試驗可以計算出垢量的平均值約為384g。

2.5 斷口能譜分析

爆管斷口部位可以通過掃面電鏡的方式對能譜予以分析，觀測斷口的形態。若爆管斷口完全被氧化層包裹則不能直接清晰觀測形態，可先對其進行徹底清理。通過清理和觀測發現本案例的爆管斷口均為韌性斷裂。

3 #2工業鍋爐水冷壁管爆管、變形鼓包的分析結果

#2工業鍋爐水冷壁管鼓包變形主要是因為內壁堆積垢物所致，該垢物的組成化學成分主要有Fe、Si、O、Ca、Al、P和Gd等元素，垢物外觀顏色呈深褐色，鼓包變形管的平均污量約為384g，與現行標準要求的相差甚遠。

爆管的水冷管內部臨近火源的一端的材質組織發生了變化，主要存在一種馬氏體過熱組織，該類材質所展現的特征有拉強變大和伸長率變小，由此說明爆管的水冷內壁在實際工作狀態下會出現一種局部超溫的問題，且超溫的幅度十分大，通常不低于A3溫度。超溫導致水冷管脹大，同時由于內壓同時作用引起水冷管鼓包變形。

4 #2工業鍋爐水冷壁管爆管、鼓包問題的處理方法

2016年二月，#2工業鍋爐大修后的停爐期間采用甲酸+羥基乙酸為清洗主劑進行了鍋爐整體酸洗，過程包括酸洗、漂洗和鈍化。清洗結束后經檢查除垢率達97.5%以上，腐蝕掛片平均腐蝕總量為10.14g，平均腐蝕速率為0.78g/m.h，監視管及汽包表面形成完整的鈍化膜。

5 結語

#2工業鍋爐水冷壁管鼓包變形主要是因為內壁堆積垢物所致，公司加強了水處理操作人員的培訓和水處理設備的有效管理工作，鍋爐用水達到《鍋爐水（介）質處理監督管理規則TSG G50012010》、《鍋爐水（介）質處理檢驗規則TSG G50022010》及《鍋爐給水處理DL/T805.42004》標準。迄今為止，再未次發生鼓包變形和爆管問題，整個鍋爐系統工作運行穩定，避免了因水冷壁爆管而停機帶來的損失。

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