SZL型工業鍋爐對流管束處的鍋筒鼓包變形事故剖析

摘要：文中針對一起SZL型工業鍋爐對流管束處鍋筒鼓包變形事故案例，結合現場實際情況，采用宏觀檢驗、幾何尺寸測量、壁厚測定、硬度檢測、化學成分分析、金相組織分析、壁厚校核等手段對鍋爐的鼓包進行原因分析。因現場檢驗分析數據和鍋爐產品質量證明文件中的內容存在不一致，從鍋爐制造單位追溯到該鍋筒的生產制造過程，發現在鍋筒制造過程中由于工作人員大意和制造設備故障，導致該鍋爐投入使用后接近滿負荷運行時強度不滿足鍋爐設計要求，發生對流管束處的鍋筒出現鼓包變形事故，為了杜絕該類事故的發生，文中對鍋爐制造單位提出改進措施和建議。

關鍵詞：SZL型鍋爐;對流管束;鼓包變形;鍋爐制造

Analysis on the Causes of the Drum Bulging and Deformation Accident at Convection Tube Bundle of SZL Industrial Boiler Management

ZHENG? Jin-Hang

（ Fujian Boiler and Pressure Vessel Inspection? Institute， Fuzhou 350008， Fujian， China ）

Abstract： In view of a case of drum bulging deformation at the convection tube bundle of SZL industrial boiler， combined with the actual situation on site， the causes of drum bulging of the boiler are analyzed by means of macroscopic inspection， geometric dimension measurement， wall thickness measurement， hardness detection， chemical composition analysis， metallographic structure analysis， wall thickness verification， etc. Due to the inconsistency between the on-site inspection and analysis data and the contents of the boiler product quality certification documents， the boiler manufacturer traced back to the production and manufacturing process of the boiler barrel. It was found that the strength of the boiler when it was put into operation near full load did not meet the boiler design requirements due to the carelessness of the staff and the failure of the manufacturing equipment during the manufacturing process of the boiler barrel， and the drum deformation accident occurred at the convection tube bundle. In order to prevent the occurrence of such accidents， the improvement measures and suggestions are put forward for the boiler manufacturer.

Key Words：? SZL industrial boiler; Convection tube bundle; Bulge deformation; Boiler manufacturing

1 引言

SZL型組裝鏈條蒸汽鍋爐主要以上下兩大部件出廠，上部為鍋爐本體，是主要的受壓元件。鍋爐本體由上下鍋筒、集箱、水冷壁管和對流管束組成。爐膛燃燒室左右兩側裝有直接火焰受熱水冷壁管，爐膛燃燒室后面就是對流管束部位，連接上下鍋筒。這類型的鍋爐受熱面大，熱效率高，結構比較緊湊，對于稍大蒸發量（6t/t-30t/h）的工業鍋爐使用比較廣泛。該類型的鍋爐常見的鼓包變形事故都是發生在上鍋筒前半段爐膛位置，都是由于鼓包位置的鍋筒內部大量結水垢，在運行不合理的情況下導致金屬材質強度、硬度下降發生鼓包變形。對于對流管束處的鍋筒發生的鼓包變形比較罕見（見圖1），查詢中國知網平臺，也很少有這類型的相關文獻資料，因此針對對流管束處鍋筒鼓包變形進行討論具有一定的意義。

福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院受使用單位的委托，組織相關檢驗員對該鍋爐進行安全性能技術鑒定，文中結合鍋爐的宏觀檢驗、幾何尺寸測量、壁厚測定、硬度檢測、化學成分分析、金相組織分析、壁厚校核等檢驗檢測手段進行原因分析，利用AutoCAD制圖軟件對鼓包處的鍋筒進行制圖還原比較分析，追溯鼓包變形起因并進行探討，杜絕該類事故的發生并提出相關的措施和建議。

2 基本情況及事故過程描述

該鍋爐的型號為DZL12-2.5-WⅡ型結構為雙鍋筒縱置式鏈條爐排蒸汽鍋爐，額定蒸發量為12t/h，額定工作壓力為2.5MPa，額定蒸汽溫度為228.6℃，設計燃料為Ⅱ無煙煤，鍋筒材質為Q245R，鍋筒規格為φ900×30mm。

鍋爐在運行期間司爐工發現鍋爐的水位異常，下降比較快，補水次數頻繁增加，并且鍋爐煙氣有帶水現象，司爐工向上級匯報情況后緊急停爐。鍋爐停爐冷卻后司爐工打開所有人孔、手孔和檢查門自行檢查。司爐工由于缺乏鍋爐檢驗經驗未發現異常問題，使用單位為了確保鍋爐安全，委托福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院進行鍋爐安全性能技術鑒定。

鍋爐鑒定結果描述如下：

（1）鍋爐本體上鍋筒底部鼓包變形，鼓包變形位置在第一回程對流管束區域的筒節（見圖2），變形量（軸×周×高）：850mm×1350mm×60mm;

（2）鍋筒鼓包變形區域內的對流管束管端變形（見圖3），橢圓度：60mm×40mm;

（3）鍋筒鼓包變形區域內的對流管束管端的焊縫貫穿性裂紋（見圖4），裂紋肉眼可見，對流管表面壁掛滿水跡，開裂主要由鍋筒鼓包變形引起;

（4）鍋筒、封頭、集箱、下降管、水冷壁管、對流管都有0.5mm～1.5mm厚度的水垢。

3 檢驗情況

3.1 宏觀檢驗

對鍋爐各部件和安全附件宏觀檢驗，除鍋爐本體鼓包變形和對流管管端開口裂紋以外其他受壓元件未見異常。煙道螺栓連接處有水跡，為鍋爐煙氣帶水引起。鍋爐設計燃料為Ⅱ無煙煤（WⅡ），而實際使用的燃料為Ⅱ煙煤（AⅡ），爐膛結構未改變。鍋筒內部存在水垢，查看水質檢驗報告，給水的硬度、鍋水酚酞堿度、全堿度、pH值、磷酸根項目不合格，使用單位未對水處理設備進行整改。翻看鍋爐的運行記錄，從2020年3月至事故發生這段時間里，鍋爐的使用壓力變化值較大，而且比較頻繁波動，最高的工作壓力接近額定工作壓力2.5MPa，鍋爐在此期間不間斷運行。

3.2 幾何尺寸測量

進入上鍋筒內部發現對流管束的節距有明顯差異，因此進行對流管的節距進行測量。鼓包處的節距已經參差不齊無測量意義，對未鼓包筒體區域的對流管節距進行測量，實測縱向（軸向）的節距值91mm～103mm，實測橫向（周向）節距68mm～72mm（見圖5）。與鍋爐提供的產品質量文件中鍋爐本體圖和強度計算書核對，尺寸有不符。

3.3 壁厚測定

采用27MG超聲波測厚儀對上鍋筒鼓包變形部位壁厚測定，壁厚測定位置（見圖6），結果見表1，鼓包變形最大的部位（測厚點編號6、7、18）實測最小壁厚為29.0mm。鍋爐的強度計算書中設計壁厚為28.81mm，實測厚度滿足設計的強度要求。

3.4 硬度檢測

采用HT-2000A便攜式硬度計對鼓包鍋筒區域進行硬度檢測，檢測的測點位置（見圖7），檢測的測點取5次檢測值的平均值作為硬度檢測的測量值，將測量值按GB 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》中的黑色金屬硬度及強度換算表進行換算，得出鼓包部位金屬材料的抗拉強度值[1]。GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中Q245R厚度30mm的抗拉強度標準值為400MPa～520MPa。鼓包部位硬度檢測和抗拉強度換算結果見表2，發現鼓包部位的鍋筒硬度未見異常變化。

3.5 金相組織分析

采用PTI-5000型便攜式光學顯微鏡對鼓包部位進行金相組織分析，鼓包最高部位金相組織為鐵素體+珠光體（見圖8），晶粒組織均勻未見異常變化。

3.6 化學成分分析

在鼓包變形部位進行光譜分析，采用DE-2000型手持式XRF光譜分析儀進行元素分析，光譜分析的數據見表3，通過光譜分析的檢測數據與GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中6.1.1條表1的化學成分對比無明顯差別。

3.7 壁厚校核

根據業主提供的鍋爐質量證明文件中的《強度計算書及計算匯總表》上得知，上鍋筒的計算厚度28.51mm，設計厚度28.81mm，名義厚度30mm（見圖9）。鍋筒鼓包部位實測的最小厚度29.1mm，未鼓包的筒體實測厚度30mm，因此鍋筒的強度是能夠滿足設計使用的要求。通過仔細查看《強度計算書及計算匯總表》上的孔橋計算和鍋爐本體圖的對流管間距發現與實際測量的間距有差別，計算書中的縱向（軸向）的節距100mm，橫向（周向）節距75.39mm（見圖9）。實測縱向（軸向）的節距值91mm～103mm，實測橫向（周向）節距68mm～72mm，利用AutoCAD制圖軟件對實際測量的間距進行重新繪制孔橋圖（見圖10）并重新進行強度計算。

從該鍋爐結合實際運行工況和《強度計算書及計算匯總表》得知以下已知條件：運行時鍋筒最高工作壓力p=2.5MPa，平均工質溫度t_m=228.6℃，計算壁溫t_d=318.6℃，Q245R許用應力[σ]_J=98MPa，修正后許用應力[σ]=η[σ]J=

0.9×98=88.2MPa，壁厚附件量C=0.3mm，根據圖10重新進行孔橋計算：

縱向孔橋減弱系數：

φ=（s-d_e）/s（1）

橫向孔橋減弱系數：

φ'=2（s'-d_e）/s'（2）

式中：

S—縱向相鄰兩孔的節距，mm;

s'—橫向相鄰兩孔的節距，mm;

d_e—為開孔直徑，mm。

由式（1）計算得到縱向孔橋減弱系數φ=0.429，式（2）計算得到橫向孔橋減弱系數：φ'=0.567。那么對流管束鍋筒的最小減弱系數φmin取φ和φ'中的最小值0.429。

鍋筒計算厚度：

δ_t= pD_i/（2φ_min[σ]-p）（3）

鍋筒設計厚度：

δ_dc=δ_t+C（4）

式中：

p—工作壓力，MPa;

D_i—鍋筒內直徑，mm;

[σ]—材料修正后許用應力，MPa。

由式（3）計算得到鍋筒計算厚度δ_t =30.8mm，

式（4）計算得到鍋筒設計厚度δ_dc=31.1mm。

根據壁厚實測結果得知，鍋筒的鼓包處的實測最小壁厚為29.0mm，小于鍋筒實際所需要的壁厚31.1mm，鍋筒的壁厚無法滿足強度要求。

當存在兩種情況時，一是如果鼓包處的管孔節距比91mm更短時;二是水垢傳熱系數遠低于鋼板的傳熱系數，這時鍋筒壁溫劇增。由于鍋筒所需的厚度要求更厚，因此鍋筒實際所用的材料厚度30mm無法滿足使用要求。

4 原因的追溯和分析

從使用單位提供產品質量證明文件中的圖紙和計算書，可以明確現場實測的管孔間距與設計文件不符，通過現場的實測間距計算對流管束的鍋筒壁厚達不到使用的要求。受該鍋爐的制造單位委托，檢驗人員在鍋爐生產車間進行了觀察和咨詢。實際情況是，鍋爐在制作過程符合鍋爐制造的質量體系要求。通過與工人交談，描述SZL型鍋爐的上下鍋筒的對流管和水冷壁管的管孔數量極多，工人在劃線后檢驗正確無誤時，打樣沖眼比較隨意導致中心點偏移。鉆孔時為了節約時間，沒有采用中心鉆引中心孔，鉆孔引起中心偏移。鍋筒的管孔是在一臺型號為Z3050×25A的搖臂鉆上鉆的孔，該型號搖臂鉆最大允許鉆孔直徑50mm。該搖臂鉆的主軸箱液壓加緊菱形塊磨損已經夾不緊主軸，主軸轉動時發生抖動，抖動的鉆頭鉆心偏移有3mm～6mm左右，鉆孔工人為了完成任務，把鍋筒的管孔鉆完以后才報修。該鍋筒由于制造時的大意疏忽，導致鍋爐實際運行時的強度無法滿足設計的要求。

鍋筒內部的水垢厚度0.5mm～1.5mm，水垢為熱的不良導體，其導熱系數僅約為鋼材的2%～5%，水垢的存在使鍋筒受熱面的導熱能力變差[1]。鋼材在導熱受阻的情況下，運行時壁溫就會逐漸增加，如果壁溫的溫度超過設計的壁溫時，鋼材的許用應力就會下降，這時鍋筒所需要的厚度大于實際計算壁厚的29.0mm，鍋筒的壁厚強度不能滿足使用要求，因此發生鼓包變形事故，嚴重時可能發生鍋爐爆炸。

5 處理措施和改進

根據TSG G7002-2015《鍋爐定期檢驗規則》第2.6.3.2條規定，筒體變形高度不超過原直徑的1.5%，并且不大于20mm的可以予以保留監控，否則應當進行修理（復位、挖補、更換）[2]。該鍋爐鼓包最大的變形高度60mm，后半段對流管孔的節距有一部分也滿足不了設計和使用要求，因此建議將上鍋筒整個按設計圖紙進行更換。筒體更換屬于重大修理，修理施工單位應具有鍋爐維修資質，并向當地監察機構告知，向檢驗機構申請修理監檢[3]。

鍋筒在制造過程中嚴格按照設計和工藝的要求完成制造，根據TSG G7001-2015《鍋爐監督檢驗規則》第2.1.5.1（3）條規定鍋筒檢查幾何尺寸（鍋筒、鍋殼筒體最大內徑和最小內徑差、棱角度、直線度、對接偏差、開孔位置等）、管孔開孔尺寸及表面質量，必要時檢查厚度，是否滿足設計要求（B類）[4]。B類的監督項目是對鍋爐安全性能有較大影響的重點項目，監檢人員一般要在現場進行監督，實物檢查，如不能及時到達現場，受檢單位在自檢合格后方可繼續進行下一工序的施工，監檢人員隨后對該項目施工的結果進行現場檢查，確認是否符合要求[4]。監檢人員對鍋爐制造監督檢驗時，應當及時檢查鍋筒幾何尺寸，應確認鍋筒開孔位置和開孔尺寸是否滿足要求。如果發現尺寸發生偏移，應立即停止下一工序施工，直至整改合格。

6 結論

對流管束處的鍋筒鼓包變形的原因進行總結，該鍋爐出現鼓包變形的原因是鍋筒在制造過程中由于大意疏忽，促使對流管孔的節距發生偏移，管孔節距不符合設計的尺寸要求，因此鍋筒的壁厚滿足不了鍋爐正常運行。鍋筒內部的水垢導致鍋筒鋼材的導熱受阻，鍋爐在高負荷運行時鋼材壁溫逐漸增加，當鋼材壁溫升高超過設計的壁溫時，鋼材的許用應力下降，鍋筒的強度下降，這時在鍋爐內壓力的作用下發生鼓包變形，嚴重時會發生鍋爐爆炸事故。因此在制造鍋爐時要嚴格按照國家法規及標準施工，全面提高鍋爐質量，確保鍋爐出廠后能夠安全運行，減少事故發生。

參考文獻

[1]劉課秀，盧忠銘，王戀.某DZL型燃煤鍋爐鍋筒鼓包原因分析和對策[J].中國特種設備安全，2017，33（06）：52-54.

[2]鍋爐定期檢驗規則：TSG G7002-2015[S].

[3]鄭金航.合同能源托管的鍋爐鍋筒鼓包原因分析及探討[J].質量技術監督研究，2021，1（73）：30-34.

[4]鍋爐監督檢驗規則：TSG G7001-2015[S].