熱電廠鍋爐水冷壁管爆管原因分析

【摘要】 通過材質(zhì)成分分析、爆管宏觀檢驗(yàn)、顯微組織分析和顯微硬度測試，對開裂爐管開展爆裂原因分析。結(jié)果表明：管道材質(zhì)符合GB 5310標(biāo)準(zhǔn)要求，爆管處附近存在碳化物在晶界聚集現(xiàn)象，珠光體中碳化物已經(jīng)分散，并逐漸向晶界擴(kuò)散，珠光體出現(xiàn)中度球化現(xiàn)象。水冷壁管爆裂是因爐管存在短期過熱損壞，在內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展至不能承受內(nèi)壓時產(chǎn)生瞬間爆裂。

【關(guān)鍵詞】 鍋爐；水冷壁管；爆裂；失效分析

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2018.01.013

Abstract：The reasons of pipe explosion of boiler water cooled wall pipe at thermal power plant were discussed byNchemical composition analyzing， macro test， microstructure observation and micro-hardness test. The results show that pipe material is accord with the standard of GB 5310， carbides gather at the grain boundary in vicinity of the explosion， carbides situated in pearlite already start to disappear and gradually spread to the grain boundary， pearlite appears moderate nodularizing. Boiler water cooled wall pipe cracks because of overheating in short time， crack forms under the influence of internal stress， the pipe fast cracks when crack expands and pipe can not bear internal pressure.

Key words：boiler； water cooled wall pipe； pipe explosion； failure analysis

工業(yè)鍋爐水冷壁管的工作條件苛刻，長期承受高溫、高壓、爐氣和水蒸氣的沖刷腐蝕，是鍋爐重要的部件之一[1-2]。鍋爐爐管發(fā)生爆管事故將會直接影響到企業(yè)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，降低爐管爆管次數(shù)是避免企業(yè)非計劃停產(chǎn)及提高效益的有效措施[3-5]。某石化公司熱電廠鍋爐在正常運(yùn)行期間內(nèi)，高溫水冷壁管出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，導(dǎo)致鍋爐停產(chǎn)，企業(yè)的安全生產(chǎn)受到影響，并給企業(yè)的長期安全運(yùn)行帶來了極大的隱患。鍋爐水冷壁爐管用材質(zhì)為20G鋼，管道內(nèi)部流動高壓水汽混合物介質(zhì)，壓力為11MPa，溫度為350℃。經(jīng)現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)一處直管部位的管壁形成開口裂紋，產(chǎn)生爆管，導(dǎo)致停產(chǎn)事故，為查明水冷壁管開裂原因，針對開裂爐管開展爆裂原因分析。

1 檢驗(yàn)與分析

1.1 材料成分分析

水冷壁管材質(zhì)為20G鋼，其材質(zhì)的化學(xué)成分見表1。經(jīng)化學(xué)成分分析，其成分符合GB 5310-2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 外觀檢驗(yàn)

從爆管的宏觀照片可以看出，水冷壁管內(nèi)無結(jié)垢現(xiàn)象，向火側(cè)有一些肉眼可見的細(xì)微裂紋，并存在開裂的裂紋，其長度達(dá)到112.36mm，管壁有明顯脹粗、減薄及變形現(xiàn)象。背火側(cè)呈紅褐色，外壁氧化層較厚，如圖1所示。背火側(cè)的壁厚為5.3mm，向火側(cè)的壁厚為5.3mm，爆裂處的壁厚減薄為2.5mm。

1.3 顯微組織觀察

利用線切割設(shè)備分別在水冷壁管的背火側(cè)、向火側(cè)爆裂部位附近及向火側(cè)裂紋處截取金相試樣，截取的部位如圖2所示。沿試樣的縱向制備金相試樣，試樣經(jīng)過打磨、拋光及腐蝕后，采用Leica光學(xué)顯微鏡對水冷壁管的向火側(cè)爆裂及裂紋處和背火側(cè)的顯微組織進(jìn)行觀察，其顯微組織如圖3所示。

圖3（a）為向火側(cè)爆裂處的顯微組織，其組織由鐵素體和珠光體構(gòu)成。珠光體區(qū)域中碳化物已明顯分散，逐漸向晶界擴(kuò)散，并在晶界上聚集，珠光體出現(xiàn)中度球化現(xiàn)象。圖3（b）為向火側(cè)裂紋處的顯微組織，其組織由鐵素體和珠光體構(gòu)成，組織的總?cè)∠蜓刈冃畏较颍瑤畈皇鞘置黠@。珠光體中碳化物已分散，在鐵素體的晶界上有滲碳體的析出，珠光體形態(tài)尚明顯。圖3（c）為背火側(cè)的顯微組織，其組織由鐵素體和珠光體構(gòu)成，等軸晶鐵素體上有1-2條連續(xù)的等軸鐵素體帶。珠光體形態(tài)尚明顯。

1.4 顯微硬度

顯微硬度測量點(diǎn)分別選在爐管的背火側(cè)、向火側(cè)爆裂附近和裂紋處，測量結(jié)果見表2所示。結(jié)果表明爐管的維氏硬度在HV200～240之間，向火側(cè)的硬度與背火側(cè)的硬度值相差不大。

2 爆管原因分析

鍋爐水冷壁管不僅受到爐內(nèi)高溫輻射熱作用，還會受到管內(nèi)流動介質(zhì)的冷卻作用，只有當(dāng)兩者達(dá)到平衡時，水冷壁管才能正常運(yùn)行避免出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

從鍋爐水冷壁管宏觀觀察、微觀顯微組織分析及顯微硬度測試結(jié)果來看，開裂失效水冷壁管的爆管處附近存在碳化物在晶界聚集現(xiàn)象，珠光體中碳化物已經(jīng)分散，并逐漸向晶界擴(kuò)散，珠光體呈現(xiàn)中度球化趨勢，爐管在運(yùn)行過程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的局部過熱現(xiàn)象。

水冷壁管在正常運(yùn)行時，工作溫度約為350℃，當(dāng)鐵素體晶粒沿變形方向被拉長，珠光體中的滲碳體開始分散，爐管的工作溫度接近于奧氏體開始相變的臨界溫度，爐管出現(xiàn)明顯的過熱現(xiàn)象。開裂的爐管內(nèi)壁上無結(jié)垢，開裂破口較大且邊緣呈鋒利，位于開裂口較遠(yuǎn)處的部位存在一些肉眼可見的裂紋。在水冷壁向火側(cè)沒有發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，爐管的過熱屬于短期過熱行為，鍋爐水循環(huán)故障導(dǎo)致冷卻條件急劇惡化，冷卻條件急劇惡化是水冷壁管短期過熱損壞的主要原因，爐膛內(nèi)高溫使管壁溫度迅速超過材料的允許溫度而過熱損壞。

此外，由于爐管受內(nèi)壓作用產(chǎn)生塑性變形，水冷壁的溫度發(fā)生變化導(dǎo)致壁溫存在波動，交變熱負(fù)荷迫使水冷壁管產(chǎn)生膨脹與收縮，爐管出現(xiàn)局部脹粗。當(dāng)爐管所受的熱應(yīng)力過大時，在薄弱位置萌生裂紋源，在應(yīng)力的作用下裂紋發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)及失穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至不能承受內(nèi)壓時產(chǎn)生瞬間爆裂。

3 結(jié)論

1）鍋爐水冷壁管為低中壓鍋爐用無縫鋼管，其化學(xué)成分符合GB 5310-2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）開裂失效水冷壁管的爆管處附近存在碳化物在晶界聚集現(xiàn)象，珠光體中碳化物已經(jīng)分散，并逐漸向晶界擴(kuò)散，珠光體出現(xiàn)中度球化現(xiàn)象。

3）水冷壁管爆裂是因爐管存在短期過熱損壞，在內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展至不能承受內(nèi)壓時產(chǎn)生瞬間爆裂。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 李青，公維平.火力發(fā)電廠節(jié)能和指標(biāo)管理技術(shù)[M].中國電力出版社，2009.

[2] 王來，馬海濤，韓雙起，等.熱電廠鍋爐水冷壁管爆管泄露原因分析[J].金屬熱處理，2011，36（9）：260-264.

[3] 陳文秦.600MW超臨界鍋爐水冷壁爆管原因分析及對策[J].河北電力技術(shù)，2013，32（2）：52-54.

[4] 彭國達(dá).鍋爐水冷壁管爆管原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊，2009，45（12）：768-774.

[5] 陳少峰.鍋爐水冷壁管爆裂事故的原因分析[J].機(jī)電技術(shù)，2010（2）：144-145.

[6] 高壓鍋爐用無縫鋼管：GB 5310-2008[S].