鍋爐返料器水冷套下聯(lián)箱彎管爆裂分析

馬小強(qiáng) 王占登

（1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司 化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心；2.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司甲醇分公司）

鍋爐返料器作為物料循環(huán)系統(tǒng)中的主要部件之一，其作用是將被旋風(fēng)分離器分離的未完全燃燒的煤粒返送回爐膛重復(fù)燃燒，使燃燒充分［1］，而返料器水冷套下聯(lián)箱彎管易出現(xiàn)異常，導(dǎo)致返料器無(wú)法實(shí)現(xiàn)物料正常循環(huán)，會(huì)嚴(yán)重影響鍋爐的安全運(yùn)行。

某煤化工廠鍋爐返料器水冷套下聯(lián)箱彎管在使用中發(fā)生爆裂，為了確定失效原因，對(duì)失效彎管取樣，進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、壁厚測(cè)定、金相檢驗(yàn)、斷口掃描電鏡觀察和能譜分析，針對(duì)開(kāi)裂的原因，提出改進(jìn)措施。

1 運(yùn)行工況介紹

失效的返料器下聯(lián)箱彎管位于松動(dòng)側(cè)上部分離器直段，彎管內(nèi)介質(zhì)為脫鹽水，彎管從外到內(nèi)依次為碳鋼壁板+可塑料（120mm）+硅酸鋁棉氈（240mm）。 因工藝發(fā)生改變，短時(shí)間內(nèi)彎管發(fā)生爆裂。 下聯(lián)箱彎管主要技術(shù)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)材料 20G

規(guī)格 φ159mm×18mm

管外介質(zhì) 高溫?zé)煔?爐灰

管內(nèi)介質(zhì) 脫鹽水

管外操作溫度 900℃

管外操作壓力 1kPa

管內(nèi)操作溫度 120℃

管內(nèi)操作壓力 15MPa

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀檢查

圖1 下聯(lián)箱彎管的宏觀形貌

圖1 為下聯(lián)箱彎管的宏觀形貌。 由圖可見(jiàn)，彎管的背面附近發(fā)生了一處軸向爆裂，爆口發(fā)生明顯變形，長(zhǎng)度約147mm，寬度最大處約25mm，爆口附近區(qū)域減薄嚴(yán)重（圖1a、b）；彎管表面附著有褐色垢物（圖1a～c）；將彎管減薄面作為正面，彎管背面形貌如圖1c 所示， 該面與下聯(lián)箱分支管通過(guò)焊接連接，去除水冷壁管后，形成如圖1c所示的孔洞形貌。

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析（表1），結(jié)果顯示彎管材料化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017 對(duì)20G材料的要求。

表1 彎管材料化學(xué)成分 wt%

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

從彎管未減薄部位處取樣，進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，其力學(xué)性能見(jiàn)表2，可見(jiàn)該部位的下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、縱向和橫向沖擊吸收功均滿(mǎn)足GB/T 5310—2017 對(duì)20G 材料的規(guī)定； 試樣硬度值見(jiàn)表3，GB/T 5310—2017規(guī)定20G 材料的維氏硬度范圍應(yīng)為120 ～160HV，結(jié)合表3 可知，彎管未減薄部位的硬度滿(mǎn)足規(guī)定的要求，減薄部位的硬度均高于規(guī)定的上限。

表2 彎管未減薄部位力學(xué)性能

表3 試樣維氏硬度

2.4 壁厚測(cè)定

對(duì)彎管部位進(jìn)行壁厚測(cè)定，減薄部位的壁厚僅為1mm，壁厚減薄，強(qiáng)度嚴(yán)重不足。

2.5 金相檢驗(yàn)

分別從爆裂部位、焊縫部位和未見(jiàn)明顯減薄部位截取金相試樣， 分別命名為JX1、JX2、JX3，取樣位置如圖1a 所示。

JX1 為徑向截面分析樣品， 樣品組織形貌如圖2 所示。 從圖中可以看出，近外壁區(qū)組織為：白色鐵素體+魏氏體+黑灰色珠光體， 根據(jù)GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》，魏氏體級(jí)別為4 級(jí)；近內(nèi)壁區(qū)組織為：鐵素體+碳化物，珠光體發(fā)生中度球化，根據(jù)DL/T 674—1999《火電廠用20 號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，球化級(jí)別為4 級(jí)；樣品內(nèi)、外壁表面均存在垢物，外壁腐蝕明顯較內(nèi)壁嚴(yán)重。

圖2 JX1 組織形貌

JX2 為焊縫區(qū)域的分析樣品， 形貌如圖3 所示， 由圖可見(jiàn)焊縫及熱影響區(qū)組織均為鐵素體+碳化物，且珠光體球化級(jí)別為3 級(jí)；彎管母材組織為鐵素體+魏氏體+珠光體， 魏氏體級(jí)別為3級(jí)； 焊縫兩側(cè)彎管金屬外表面發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕，導(dǎo)致軸向截面形成凸型形貌。

圖3 JX2 組織形貌

JX3 為未減薄處徑向截面分析樣品， 形貌如圖4 所示，可見(jiàn)近外壁區(qū)為：鐵素體+魏氏體+珠光體，魏氏體級(jí)別為2 級(jí)；近內(nèi)壁區(qū)珠光體球化級(jí)別為4 級(jí)。

圖4 JX3 組織形貌

2.6 斷口形貌及能譜分析

2.6.1 斷口形貌分析

對(duì)爆口部位取樣（命名為DJ1，圖1a）進(jìn)行形貌分析，外壁表面和內(nèi)壁表面均附著有大量的垢物，局部的垢物有脫落趨勢(shì)，如圖5 所示。

2.6.2 能譜分析

用X 射線能譜儀對(duì)外壁和內(nèi)壁表面的垢物進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表4，由分析結(jié)果可知，外壁表面垢物以氧化物為主，并伴有大量腐蝕性的S 元素，含量最高達(dá)3.58%，同時(shí)含有Na、Mg、K、Ca 等雜質(zhì)元素；內(nèi)壁表面垢物也以氧化物為主，S 元素含量最高達(dá)1.00%，同時(shí)含有Ca 等雜質(zhì)元素。

圖5 DJ1 形貌

表4 能譜分析結(jié)果 wt%

3 討論與分析

彎管由外向內(nèi)被碳鋼壁板+可塑料（120mm）+硅酸鋁棉氈（240mm）包裹，碳鋼壁板長(zhǎng)時(shí)間接觸高溫?zé)煔?爐灰介質(zhì)， 其中含有NOx、 氯化物、SO2和水蒸氣，介質(zhì)腐蝕穿透碳鋼壁板，穿過(guò)可塑料和硅酸鋁棉氈層，在彎管表面發(fā)生冷凝，使局部形成濃縮的酸性環(huán)境， 導(dǎo)致管壁發(fā)生腐蝕減薄；同時(shí)彎管外壁溫度高，使組織發(fā)生劣化，性能降低， 最終當(dāng)彎管局部位置減薄到一定程度，在管內(nèi)壓力的作用下，最終導(dǎo)致彎管因強(qiáng)度不足而發(fā)生爆裂。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)宏觀檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、壁厚測(cè)定、金相檢驗(yàn)、斷口掃描電鏡觀察和能譜分析，可知彎管爆裂的原因是外壁腐蝕引起壁厚嚴(yán)重減薄；20G 材料長(zhǎng)期使用，組織發(fā)生劣化，性能降低，綜合作用導(dǎo)致其因強(qiáng)度不足而發(fā)生爆裂。 建議在改變工藝的同時(shí)，進(jìn)行設(shè)備的合理化安裝及材料的升級(jí)處理，同時(shí)避免長(zhǎng)時(shí)間超溫使用。