某石化公司燃煤鍋爐過熱器管爆裂原因分析

冉朋超

摘 要：某石化公司燃煤鍋爐的過熱管發(fā)生爆裂，本文采用宏觀觀察、材質(zhì)分析及金相檢驗(yàn)等方法，對爆管的原因進(jìn)行了檢測分析，結(jié)果表明，爆管的主要原因是由于過熱管長期再高溫高壓下運(yùn)行，導(dǎo)致管壁組織中珠光體的球化，進(jìn)而爐管強(qiáng)度下降發(fā)生爆管。建議嚴(yán)格控制鍋爐運(yùn)行溫度和壓力以及加強(qiáng)對關(guān)鍵部位爐管的檢驗(yàn)監(jiān)督，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)隱患，以防止過熱器管爆裂事故的再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐;過熱管;爆管;珠光體球化

1 背景

某石化公司35t燃煤鍋爐（3#鍋爐）的兩根過熱器管發(fā)生了爆裂，過熱器管材質(zhì)為20G鋼，爐管規(guī)格為Φ38×3.5mm;管內(nèi)介質(zhì)為中壓蒸汽，溫度/操作壓力為435℃/3.5～3.6MPa，爐內(nèi)火焰溫度600～700℃。為了對爆管原因進(jìn)行分析，特進(jìn)行了一系列的檢測工作。

2 檢測分析

2.1 宏觀觀察

①選取的過熱器管爆口最長處約100mm，爆口中間最寬度大約55mm;

②爆口處管壁明顯地脹粗，爆口邊緣較薄，爆口呈“魚嘴狀”;

③爆口附近管子外壁附著很厚的棕色氧化皮，氧化皮上有大量的縱向裂紋，呈現(xiàn)“老樹皮狀”，見圖2-1。

④在距離爆口大約200mm處橫向切管，該處爐管外徑接近50mm，超聲測厚檢測發(fā)現(xiàn)發(fā)生蠕脹的管段剩余壁厚僅為1.5mm，有明顯減薄。管子內(nèi)、外壁有氧化皮附著，外壁氧化皮很厚達(dá)到2mm以上，內(nèi)壁氧化皮也有0.5mm左右。

2.2 金相檢驗(yàn)

將過熱器管爆口處橫向切開，取橫向截面金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、4%硝酸酒精溶液腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。并依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對過熱器管的管壁組織進(jìn)行球化評級。

在過熱器管爆口邊緣處，管壁金相組織為：

①鐵素體+碳化物（球狀）;

②珠光體球化5級;

③管壁塑變，晶粒被拉長，晶界聚集著碳化物顆粒、并有蠕變孔洞及裂紋存在;

④爆口處管子內(nèi)外壁均有很厚的氧化皮存在，見圖2-2。

2.3 材質(zhì)分析

分別從爆裂的過熱器管（第8根）和完好過熱器管上取塊狀樣品，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用光譜儀等，對其材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果表明，過熱器管材質(zhì)化學(xué)成分符合GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中20G鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，見表2-1。

3 分析與討論

一般來說，20號鋼主要用于管壁溫度不超過450℃的鍋爐受熱面管（水冷壁管、過熱器管等）、蒸汽管道和集箱。

20號鋼在高溫長期使用過程中，其組織中的珠光體會(huì)發(fā)生球化現(xiàn)象，即珠光體中的滲碳體（碳化物）形態(tài)由最初的層片狀逐漸轉(zhuǎn)變成球狀，材料的力學(xué)性能也隨之下降。因此，長期以來20號鋼組織中的珠光體球化程度常被廣泛地用作使用可靠性的評定判據(jù)之一。

20號鋼珠光體球化組織為5級，即1級為未球化（原始態(tài)）;2級為傾向性球化;3級為輕度球化;4級為中度球化;5級為完全球化。

發(fā)生爆口的過熱器管的金相組織已經(jīng)達(dá)到珠光體球化5級，表明該管性能已經(jīng)嚴(yán)重劣化。加上過熱器管的內(nèi)、外壁有很厚的氧化皮。

氧化皮的產(chǎn)生和發(fā)展，一方面減薄了爐管的管壁厚度，造成管子強(qiáng)度的降低;另一方面由于氧化皮的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地小于鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)（氧化皮導(dǎo)熱系數(shù)0.41868kJ/（m2·h·℃），鋼管導(dǎo)熱系數(shù)209.34 kJ/（m2·h·℃）），造成爐管進(jìn)一步地過熱，管子強(qiáng)度的進(jìn)一步地降低;過熱又會(huì)加劇爐管的氧化，由此不斷的惡性循環(huán)，直至發(fā)生爆管。

參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)碳鋼管外徑蠕變變形大于3.5%或高溫過熱器管外表面氧化皮厚度超過0.6mm或管子外表面有宏觀裂紋或管壁減薄量大于壁厚的30%，當(dāng)發(fā)現(xiàn)上述情況之一時(shí)，就應(yīng)對爐管進(jìn)行及時(shí)地更換。可見，該鍋爐的兩根爆口過熱蒸汽管，即使未發(fā)生爆裂，也是屬于報(bào)廢更換之列。

另外的用于對比的過熱器管，管徑?jīng)]有明顯地脹粗變形、內(nèi)外管壁也未見超標(biāo)的氧化皮存在、珠光體球化僅為2級，沒有明顯地過熱現(xiàn)象，故仍可繼續(xù)安全地運(yùn)行使用。

4 結(jié)論及建議

發(fā)生爆口的過熱器管的失效性質(zhì)為長期過熱爆管。在高溫高壓環(huán)境下長期運(yùn)行，因局部過熱（高溫?zé)煔獠痪t管布局差別、管內(nèi)傳熱不暢等），造成過熱器管（爆口處及附近）的管壁組織中珠光體的球化，導(dǎo)致爐管強(qiáng)度下降;同時(shí)，過熱又造成爐管內(nèi)外壁氧化嚴(yán)重，氧化皮的不斷發(fā)展，即減薄了爐管壁厚，降低其強(qiáng)度;又降低了爐管的傳熱能力，導(dǎo)致爐管的進(jìn)一步地過熱;進(jìn)一步地過熱會(huì)更加促進(jìn)爐管組織珠光體球化程度的加劇，又加速爐管內(nèi)外壁氧化皮的增厚及管壁厚度的減薄，爐管強(qiáng)度的更加降低。如此惡性循環(huán)下來，最終造成過熱器管的爆管失效。

發(fā)生爆裂的過熱器管必須更換。對于爆口附近或相鄰部位的過熱器管，也要認(rèn)真地檢查，發(fā)現(xiàn)氧化嚴(yán)重、明顯脹粗、表面開裂的爐管及時(shí)地更換;對懷疑球化嚴(yán)重的爐管應(yīng)進(jìn)行抽檢，對于球化嚴(yán)重的也應(yīng)該考慮進(jìn)行更換。

嚴(yán)格控制鍋爐運(yùn)行溫度和壓力以及加強(qiáng)對關(guān)鍵部位爐管的檢驗(yàn)監(jiān)督，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)隱患，以防止過熱器管爆裂事故的再次發(fā)生。