一例燃煤熱水鍋爐水冷壁管開裂原因分析與預防措施

王小林

(西安鐵路局特種設備檢驗所，陜西 西安 710054)

一例燃煤熱水鍋爐水冷壁管開裂原因分析與預防措施

王小林

(西安鐵路局特種設備檢驗所，陜西 西安 710054)

針對一起燃煤熱水鍋爐水冷壁管開裂的案例，基于該水冷壁管的化學成分、顯微組織、硬度檢測，并結合鍋爐運行情況，綜合分析了其開裂原因，并提出了相關預防措施與建議。結果表明：鍋爐運行期間，熱水鍋爐管網泄漏，為維持鍋爐的正常運行，作業人員違規向鍋爐內大量補進水質超標的原水，以致水冷壁管大量結垢而超溫運行，管體的組織、性能劣化，導致水冷壁管開裂。

燃煤熱水鍋爐；水冷壁管；開裂原因；超溫運行；預防措施

我國陜北某鐵路地區一燃煤熱水鍋爐于冬季運行期間，暖氣主管道突發開裂漏水，致使鍋爐缺水，鍋爐用水量驟然增大。為了不影響該地區居民工作及生活取暖，供暖單位采取了非常規的操作方法，用原水直接作為補給水以維持鍋爐的正常運行，但在一個采暖期后，例行檢驗時發現爐膛內右側前數第2、8根水冷壁管已被燒損、開裂，嚴重影響鍋爐的安全運行，故鍋爐被迫停爐。

針對此鍋爐實際運行中出現的該具體問題，本文擬從水冷壁管開裂處材質的化學成分、宏觀形貌、顯微組織、硬度等方面，并配以水質分析，綜合研究其開裂的原因，并提出切實可行的預防措施與建議。

1 試驗材料與方法

試驗材料為對某燃煤熱水鍋爐例行內部檢驗時發現的已開裂水冷壁管，該鍋爐型號為DZL2.8-0.69/95/70-AⅡ，制造安裝于2001年5月，同年11月起投入使用，其已開裂水冷壁管所采用的材料牌號為20G。依據相關國標[1]，從材料為20G的水冷壁管開裂處制取化學分析試樣并進行成分分析。

選用Canon EOS 600D型數碼相機對水冷壁管開裂處進行宏觀形貌觀察，并配合TT130型測厚儀對裂紋邊緣與正常管體處進行厚度測量；分別選用Olympus-DSX500i型光學數碼顯微鏡、TH608型數顯布氏硬度計對正常管子與裂紋處的顯微組織進行觀察并檢測硬度；另外采用EDTA絡合滴定法與pHSJ-5型試驗室pH計對原水及鍋爐用水的水質進行分析。

2 實驗結果與分析

2.1 化學成分分析

對20G水冷壁管裂紋處成分進行分析，結果見表1。可知，除元素C含量小于標準規定的下限外，其余元素均符合標準[2]要求。

表1 試驗20G水冷壁管裂紋處化學成分(質量分數，%)

2.2 宏觀形貌

圖1所示為該鍋爐爐膛內局部水冷壁管的宏觀形貌及水垢情況。由圖1(a)可見其外表面已有異狀，表現為過熱現象，另外，錘擊時管體聲音發悶，并無錘擊金屬時的反彈現象，且有薄片狀物質脫落；由圖1(b)即管體裂紋內表面可知，該縱向裂紋長度達35.00 mm；由圖1(c)可清楚看到割管后，管道內部水垢較厚已達2.0 mm，局部厚度甚至超過15 mm，覆蓋面達80 %。

(a)外表面；(b)內表面；(c)管內水垢圖1 水冷壁管開裂處的宏觀形貌及水垢情況

利用TT130型測厚儀對水冷壁管裂紋邊緣處與正常管體區域各取3點進行壁厚測量，結果見表2，正常管體平均厚度為3.30 mm，而裂紋邊緣處平均厚度為2.21 mm，比運行一定時間后正常厚度減小了33.03 %。查閱出廠資料，對應水冷壁管的設計壁厚為3.50 mm，對比知僅運行了一個采暖期后，正常管體僅減薄了5.71 %，而裂紋處減薄了36.86 %，可見裂紋處氧化物脫落現象甚為顯著。

表2 水冷壁管裂紋邊緣處與正常管體處壁厚

2.3 顯微組織觀察

在管體正常位置及裂紋處分別切取試樣，經研磨、拋光后，選用體積分數為4%的硝酸酒精試劑對試樣進行蝕刻及后續處理后，其顯微組織見圖2。

由圖2(a)知，正常管體處顯微組織為片狀珠光體+鐵素體，并未發生珠光體球化現象。另外，20G管的供貨態為熱軋狀態，故其珠光體組織的帶狀形貌清晰可見。而由圖2(b)即裂紋處組織可知，主要組織雖仍為珠光體+鐵素體，但組織明顯粗化，另外，珠光體中的碳化物已不再呈片層狀，大部分的球狀碳化物已聚集在晶界，其余部分分散在鐵素體基體上，參考評級標準[3]。

(a)管體正常區域；(b)管體裂紋處圖2 水冷壁管顯微組織照片

2.4 室溫機械性能檢測

為了解管體裂紋處與正常管體的室溫機械性能差異，分別于每處選取5個測點取平均值，對其進行布氏硬度檢測，結果見圖3。由圖3可知，正常管體處硬度基本符合要求，而裂紋處硬度僅為105，比正常部位降低了30.46 %。而根據經驗式σb=k HB[4]可知，材料的布氏硬度與抗拉強度之間呈正比關系，故，在材料同為20G的前提下，裂紋處強度遠遠弱于正常管體處，可見20G管開裂處性能劣化現象顯著。

圖3 試驗用水冷壁管布氏硬度結果

2.5 水質分析

由于該供暖單位在出現突發狀況時，水處理器制水能力有限，特殊情況下向鍋爐內補給了原水，事后對水質進行了分析，結果見表3。由表中數據可知，使用未經處理的原水向鍋爐進水，已使鍋爐給水水質超標，并未滿足相關標準[5]要求。

表3 水質分析

3 原因分析與建議

20G管在服役期間，允許金屬壁溫不超過450 ℃，而該鍋爐正常運行情況下，金屬壁溫低于280 ℃，當受熱面無垢時，金屬受熱后可快速將熱量傳遞給水，二者溫差約30 ℃，可見20G管可滿足要求。

經了解情況，在該地區采暖期間，因管網故障，為維持鍋爐正常運行，單位并未嚴格執行國家標準要求，向鍋爐內補給了水質嚴重超標的原水，致使水垢結生較快。水垢是熱的不良導體，當工作壓力為1 MPa時，鍋爐受熱面結生水垢每增厚1 mm，金屬壁與水間溫差約200 ℃。由圖1(c)知，此時，該水冷壁管溫度已超500 ℃，遠遠超過了它的允許溫度上限，也就是說，它在開裂前屬于超溫運行。因此，在壓力作用下，其顯微組織已明顯球化，表現為過熱現象，且硬度等室溫機械性能大幅下降，終使爐門附近的水冷壁管開裂。

針對此問題，提出以下預防措施與建議：

(1)在采暖期到來前，提前對鍋爐管網進行檢查、試壓、整修，發現問題及早處理，以免給鍋爐的運行帶來安全隱患；

(2)在鍋爐運行時，加強巡視檢查，發現異常問題時，要及時停爐，判明鍋爐故障原因并采取正確的處置方法，以防事態擴大；

(3)完善鍋爐的應急處置預案并開展有針對性的應急演練工作；

(4)鍋爐水質出現異常情況時，要嚴格執行國家標準，及時采取鍋內水處理方法，杜絕水質超標現象的發生；

(5)鍋爐受壓元件開裂后，要及時查清原因，并組織專業力量進行修復，確保鍋爐的安全運行。

[1] 全國鋼標準化技術委員會.GB/T 20066-2006 鋼和鐵 化學成分測定用試樣的取樣和制樣方法[S].北京:中國標準出版社,2006.

[2] 全國鋼標準化技術委員會.GB 5310-2008 高壓鍋爐用無縫鋼管[S].北京:中國標準出版社,2008.

[3] 國家電力公司電站金屬材料標準化技術委員會.DL/T 674-1999 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.

[4] 匡震邦, 顧海澄, 李中華.材料的力學行為[M].北京：高等教育出版社，1998:97-105.

[5] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.GB/T 1576-2008 工業鍋爐水質[S].北京:中國標準出版社,2009.

(本文文獻格式：王小林.一例燃煤熱水鍋爐水冷壁管開裂原因分析與預防措施[J].山東化工,2017,46(5):102-103.)

2017-01-25

王小林(1965—)，男，陜西寶雞人，工程師。

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1008-021X(2017)05-0102-02