一起生物質鍋爐事故分析

楊國祥，馬紹光，趙艷雷

（云南省特種設備安全檢測研究院，云南 昆明 650228）

2018-08，在對昆明市某單位使用的一臺SZL6-1.6-T型生物質鍋爐進行停爐內部檢驗時，發現鍋爐上鍋筒前筒節底部有一處鼓包缺陷，經進一步檢驗，鼓包處的材質已發生變化，需要更換，事故造成一定的經濟損失。為了防微杜漸，防止此類事故的發生，本文對事故進行分析。

1 鍋爐概況

該單位的SZL6-1.6-T型鍋爐于2015-08安裝監檢后投入使用；該爐系某廠2015-01制造，為雙鍋筒縱置式生物質鏈條鍋爐，截至發現鍋爐筒體鼓包缺陷時已斷續使用了3年，約2.6×104h（每日平均使用8 h）；上鍋筒材質為Q245R，上鍋筒規格為Φ900 mm×12 mm， 使用的水源為地下水，渾濁無沉淀池，水處理設備時好時壞。

2 現場檢驗

2018-08進行內部檢驗時，發現鍋爐上鍋筒前筒節底部有一處鼓包缺陷，檢驗情況如下：①鼓包位于上鍋筒前筒節中底部，爐膛上方，最大變形量30 mm，且上鍋筒前筒節爐膛段有脹粗現象。②后部煙道內，上鍋筒與下鍋筒對流管束與上鍋筒焊接連接管口大部分變形；左右側水冷壁管大部分變形，變形量為10～60 mm。③上鍋筒進水管出口附近及前右側下降管內水垢厚度約10 mm，上鍋筒其他部位水垢厚度約2 mm，并有垢渣堆積，水冷壁管內水垢厚度1～3 mm，對流管內水垢厚0.5～1 mm，下鍋筒及左右側集箱內有脫落水垢堆積。④前水冷壁管有3根，右側水冷壁管有2根，共5根，水冷壁管曾經被更換過。

3 金相檢驗和硬度檢測

經金相檢驗，鼓包上材質金相組織滲碳體完全球化，材質出現四級石墨化，鼓包材質金相組織已從正常的鐵素體加珠光體轉變成鐵素體加球狀滲碳體，材質強度顯著降低。

經硬度檢測，測得鼓包材質硬度平均值為HB100。對于低碳鋼，根據經驗公式得σb≈0.36 HB≈0.36×100≈36 kgf/m2≈352 N/m2（MPa）。

標準《鍋爐和壓力容器用鋼板》（GB 713—2014）規定材質Q245R的σb下限值為400 N/m2（MPa）。材質強度下降的百分比為△σb=（400-352）/400=12%。

材質的強度下降了12%，材質強度由于超溫，其金相組織發生變化而降低。

4 事故分析

4.1 鼓包處壁溫估算

由金相檢驗的結果得知，鼓包處材質已完全球化，根據有關資料可采用擴散指數方程進行筒體壁溫的估算：

式（1）中：τ為達到完全球化程度所需時間，h；A為與化學成分、組織狀態有關的常數；b為對珠光體鋼，為常數；T為絕對溫度，K。

當溫度不超過Ac1（723℃）時，對同種鋼材、不同溫度下達到同一球化程度的時間可由式（2）表示：

對同種鋼材，A和b是相同的，則式（2）可變為：

根據相關資料，碳鋼在454℃至完全球化需5×105h，對于碳素鋼，b=33 000；如果取本失效分析的時間τ2=2.6×104h，又知τ1=5×105h，T1=453.85℃，代入式（3）得：

理設備時好時壞，金屬組織不會馬上球化，本分析中金相組織完全球化的累計時間就不到2.6×104h。此外，鍋爐運行后期，水垢和脫落后的垢渣堆積于筒體底部，又未及時清理，鍋筒壁傳熱變差，筒體壁得不到及時冷卻，因此，筒體壁溫可能大于504.57℃，即鍋筒鼓包處的壁溫超過了Q245R鋼規定使用的最高允許使用溫度430℃。

4.2 材質球化

低碳鋼及大部分低碳合金鋼都是珠光體鋼，這種鋼的正常組織由珠光體晶粒及鐵素體晶粒組成，珠光體晶粒中的鐵素體及滲碳體呈片狀；鐵素體是碳和其他元素均勻地溶解在ɑ-Fe（ɑ鐵）中的固溶體，鐵素體的強度低，但塑性高；滲碳體是鐵與碳按一定比例關系所組成的化合物，鐵與碳的原子數比為3∶1，它的結晶結構與鐵的結構完全不同，滲碳體的硬度很高、很脆，塑性極低；片狀珠光體的組織不穩定，按照熱力學第二定律，較大能量的狀態有自行向能量較小的狀態轉變的趨勢。在體積相同的條件下，片的表面積比球大，球的表面積最小，表面能也最小，幾個小球體的表面積比同樣體積的球體的表面積大，幾個小球體的表面能也較大。因此，片狀珠光體中的滲碳體（Fe3C）有自行轉變為球狀并聚集成大球團的趨勢。珠光體鋼在長期高溫運行下存在這種轉變的可能，這種現象稱為“珠光體的球化”；珠光體的球化使材料的屈服強度、抗拉強度及硬度下降，并明顯加快蠕變速度和降低持久強度，例如，珠光體的球化可使抗拉強度下降10%～15%，蠕變極限降低約25%，如果滲碳體聚集成大球團，甚至可使蠕變限下降，本次事故材質的強度下降了12%。

由壁溫估算得知，上鍋筒底部處于高溫狀態下，材料內的片狀珠光體組織轉變為球狀珠光體組織，這種變化加快了蠕變速度并降低持久強度，導致鍋筒在正常工作壓力下產生塑性變形造成鼓包。

4.3 材質石墨化

綜上所述，滲碳體是一種不很穩定的碳化物，在高溫下經一定時間會分解成自由碳（石墨）：Fe3C→3Fe+C（石墨），這種現象稱為石墨化；碳鋼只在450℃以上出現石墨化；石墨是以點狀的形式出現在金屬材料內部，石墨的強度極小，像空穴分布在鐵素體當中，當空穴周圍形成復雜的受力狀態并出現應力集中現象時，材料就會變脆，石墨化會使常溫和高溫下材料的強度及塑性下降；人們認為石墨化都發生在珠光體完成球化之后，但碳鋼在475～500℃條件下，組織球化初期即有可能析出石墨。

由壁溫估算得知，上鍋筒底部已處于高溫狀態下，組織也發生球化，這就是材質出現石墨化的原因，同時石墨化說明了材料的強度及塑性下降，這也是導致鍋筒在正常工作壓力下產生塑性變形造成鼓包的原因之一。

4.4 結論

根據上述計算和分析，由于上鍋筒前筒節中底部高溫過熱，過熱部位的材質金相組織完全球化，材質出現四級石墨化，材質強度降低很多，以致于鍋筒在正常工作壓力下塑性變形造成鼓包。

5 事故原因

5.1 水質不良

鍋爐使用初期，水質是較好的，但使用一段時間后，鍋內附著大量水垢，鍋爐使用1年后首次內部檢驗時，曾發現鍋爐給水管被水垢堵塞2/3，鍋爐內水垢厚度達3～4 mm，局部10 mm，上下鍋筒底部和左右側集箱內有大量垢渣堆積；經過煮爐，大量水垢脫落沉積于鍋底和受熱面管內未清除，排污管被堵塞，不能及時有效地排污，鍋爐內的水質進一步惡化。這樣的后果首先是發生了水冷壁被水垢、垢渣堵塞爆管，檢驗時也發現了水冷壁管曾有5根被換管修理；大量垢渣沉積，鍋筒底部又直接處于爐膛高溫輻射區，熱負荷較高，尤其爐膛前中部更高，致使鍋筒前筒節底部材質過熱，材質強度下降，在內壓力作用下產生了鼓包。

5.2 管理不善

鍋爐使用后，水處理設備時好時壞，沒有徹底修復；使用的地下水渾濁，又未聽取檢驗人員的建議，沒有增設沉淀池，這是導致水處理設備短期就失效的原因。

5.3 鍋爐低水位聯鎖保護裝置失靈

后部煙道內，上鍋筒與下鍋筒對流管束與上鍋筒焊接連接管口和左右側水冷壁管大部分變形，上鍋筒前筒節爐膛段有脹粗現象，這說明鍋爐曾發生過缺水現象；現場進一步檢查，發現鍋爐低水位聯鎖保護裝置失靈，這也是導致事故的原因之一。

6 處理意見

根據對鍋爐現場檢驗和金相檢驗的結果，鍋筒材質已完全球化和石墨化四級，上鍋筒與下鍋筒對流管束與上鍋筒焊接連接管口及左右側水冷壁管大部分變形，上鍋筒前筒節爐膛段有脹粗現象，鍋爐已無修理價值，建議更換。