熱電廠鍋爐水冷壁管爆管原因分析

【摘要】 通過材質成分分析、爆管宏觀檢驗、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。結果表明：管道材質符合GB 5310標準要求，爆管處附近存在碳化物在晶界聚集現象，珠光體中碳化物已經分散，并逐漸向晶界擴散，珠光體出現中度球化現象。水冷壁管爆裂是因爐管存在短期過熱損壞，在內應力作用下產生裂紋，裂紋擴展至不能承受內壓時產生瞬間爆裂。

【關鍵詞】 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]。鍋爐爐管發生爆管事故將會直接影響到企業的安全穩定運行和經濟效益，降低爐管爆管次數是避免企業非計劃停產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行期間內，高溫水冷壁管出現爆裂現象，導致鍋爐停產，企業的安全生產受到影響，并給企業的長期安全運行帶來了極大的隱患。鍋爐水冷壁爐管用材質為20G鋼，管道內部流動高壓水汽混合物介質，壓力為11MPa，溫度為350℃。經現場勘查，發現一處直管部位的管壁形成開口裂紋，產生爆管，導致停產事故，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 檢驗與分析

1.1 材料成分分析

水冷壁管材質為20G鋼，其材質的化學成分見表1。經化學成分分析，其成分符合GB 5310-2008標準要求。

1.2 外觀檢驗

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

1.3 顯微組織觀察

利用線切割設備分別在水冷壁管的背火側、向火側爆裂部位附近及向火側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，試樣經過打磨、拋光及腐蝕后，采用Leica光學顯微鏡對水冷壁管的向火側爆裂及裂紋處和背火側的顯微組織進行觀察，其顯微組織如圖3所示。

圖3（a）為向火側爆裂處的顯微組織，其組織由鐵素體和珠光體構成。珠光體區域中碳化物已明顯分散，逐漸向晶界擴散，并在晶界上聚集，珠光體出現中度球化現象。圖3（b）為向火側裂紋處的顯微組織，其組織由鐵素體和珠光體構成，組織的總取向沿變形方向，帶狀不是十分明顯。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，珠光體形態尚明顯。圖3（c）為背火側的顯微組織，其組織由鐵素體和珠光體構成，等軸晶鐵素體上有1-2條連續的等軸鐵素體帶。珠光體形態尚明顯。

1.4 顯微硬度

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

2 爆管原因分析

鍋爐水冷壁管不僅受到爐內高溫輻射熱作用，還會受到管內流動介質的冷卻作用，只有當兩者達到平衡時，水冷壁管才能正常運行避免出現過熱現象。

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象，珠光體中碳化物已經分散，并逐漸向晶界擴散，珠光體呈現中度球化趨勢，爐管在運行過程中出現較為嚴重的局部過熱現象。

水冷壁管在正常運行時，工作溫度約為350℃，當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，爐管出現明顯的過熱現象。開裂的爐管內壁上無結垢，開裂破口較大且邊緣呈鋒利，位于開裂口較遠處的部位存在一些肉眼可見的裂紋。在水冷壁向火側沒有發現脫碳現象，爐管的過熱屬于短期過熱行為，鍋爐水循環故障導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，由于爐管受內壓作用產生塑性變形，水冷壁的溫度發生變化導致壁溫存在波動，交變熱負荷迫使水冷壁管產生膨脹與收縮，爐管出現局部脹粗。當爐管所受的熱應力過大時，在薄弱位置萌生裂紋源，在應力的作用下裂紋發生亞穩態及失穩態擴展，當裂紋擴展至不能承受內壓時產生瞬間爆裂。

3 結論

1）鍋爐水冷壁管為低中壓鍋爐用無縫鋼管，其化學成分符合GB 5310-2008標準要求。

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象，珠光體中碳化物已經分散，并逐漸向晶界擴散，珠光體出現中度球化現象。

3）水冷壁管爆裂是因爐管存在短期過熱損壞，在內應力作用下產生裂紋，裂紋擴展至不能承受內壓時產生瞬間爆裂。

【參考文獻】

[1] 李青，公維平.火力發電廠節能和指標管理技術[M].中國電力出版社，2009.

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[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，2013，32（2）：52-54.

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[6] 高壓鍋爐用無縫鋼管：GB 5310-2008[S].