鍋爐捕渣屏失效原因分析及預防措施

摘 要：通過宏觀特征、化學成分、力學性能分析，以及金相檢驗、硬度檢測和電鏡觀察等技術手段，對捕渣屏水冷壁管爆管和斷管失效原因進行分析。結果表明，鍋爐爐頂落焦導致管道韌性斷裂，產生斷口。斷口管與爆口管為同一水冷壁壁管，由于斷口處工質泄漏，管道中的介質流量減少，導致管壁溫度迅速上升，材料性能急劇下降，最終發生爆管。建議電廠在運行期間控制結焦，在檢修期間加強對泄漏部位和水冷壁外敷設的耐熱材料的檢查，并及時修復脫落的耐熱材料。

關鍵詞：捕渣屏；水冷壁；斷管；爆管；失效分析

中圖分類號：TK229 文獻標志碼：A

Analysis of failure causes and preventive measures forboiler slag capture screen

CHEN"Zhigang1，2，ZHANG"Biao1，2，WEI"Chen1，2，XU"Chongtao1，2，ZHANG"Xin1，2

（1."Tianjin"Special"Equipment"Inspection"Institute，"Tianjin"300192，"China;"2."National"Special"Equipment"Welding"Material

Product"Quality"Inspection"and"Testing"Center"（Tianjin），"Tianjin"300192，"China）

Abstract：The"causes"of"tube"burst"and"fracture"failure"in"the"slag"screen"membrane"water"walltubes"were"analyzed"by"macroscopic"characteristics，"mechanical"properties，"metallographicexamination，"hardness"testing，"electron"microscope"observation"and"so"on."The"findings"indicatethat"the"drop-out"of"coke"from"the"top"of"boiler"casues"the"ductile"fracture"of"tube"along"with"theformation"of"fracture."Both"the"fracture"and"burst"tubes"are"from"the"same"membrane"water"walltubes."The"leakage"of"working"fluid"at"the"fracture"reduces"its"flow"rate，"causing"a"rapid"increase"oftube"wall"temperature"and"a"sharp"decline"in"material"performance."Ultimately"the"tube"burstoccurs."Several"suggestions"have"been"made"including"coking"control"in"the"power"plants"duringoperation，"massive"inspection"of"leakage"and"external"heat-resistant"materials"of"membrane"waterwall"during"maintenance，"and"repair"of"drop-out"heat-resistant"materials.

Keywords：slag"capture"screen;"membrane"water"wall;"tube"rupture;"tube"blowout;"failure"analysis

電站鍋爐的持續運行是保障發電廠不間斷供電的基本條件，但由于鍋爐中水冷壁、過熱器、省煤器等部件暴露在極其惡劣的條件下，經常會出現部件失效情況。這不僅會造成安全隱患，還會因設備關閉造成經濟損失。捕渣屏作為水冷壁的一部分，主要作用是吸收爐膛內輻射熱以及高溫煙氣中的熱量，捕集灰渣使之掉至落渣口，以減輕爐膛內及后部受熱面結渣。捕渣屏工作條件惡劣，如果發生失效將直接影響到鍋爐的安全運行。

本文通過宏觀特征、化學成分、力學性能分析，以及金相檢驗、電鏡觀察等技術手段并結合實際運行情況，對某電廠捕渣屏水冷壁管爆管和斷管失效原因進行分析。根據分析結果，進一步提出捕渣屏水冷壁管安全運行的相關建議，對防止今后發生同類管道失效及鍋爐運行過程中風險"的早期辨識具有重要意義。

1""""管段失效概況

某300"MW雙燃燒室（W火焰）的液態排渣塔式直流爐爐膛底部捕渣屏水冷壁發生泄漏。經進入爐內檢查確認，發現捕渣屏右側第一排一根管斷裂，左側第三排一根管爆管，兩管段屬于一屏中的同一根管，具體位置如圖1所示。捕渣屏水冷壁管外部由澆筑料覆蓋（主要成分是碳化硅），管子規格為Φ48.3"×"6.3"mm，材質為15Mo3，管外為高溫煙氣，溫度約為1"200"℃。爆口管段和"斷口管段的宏觀形貌如圖2所示。

2""""失敗原因分析

2.1""""宏觀特征分析

分別觀察爆口斷面、斷口斷面及其附近區域發現，兩斷面及其附近區域內、外壁均有銹蝕痕跡，爆口和斷口周邊未見肉眼可見的裂紋。其中，爆口處管壁顯著減薄，最薄處呈刀刃狀，爆口及附近區域脹粗明顯，爆口呈喇叭狀。該爆口尺寸如圖3（a）所示，環向最大開口約47"mm，軸向開口約119"mm。遠離爆口處（300"mm）外側管子壁厚為4.88"mm，沿爆口斷面選取5點進行壁厚測量，數值分別為3.66、3.84、3.64、3.06、2.86"mm，可見爆口部位減薄明顯。從上述特征看，初步認為該爆口符合短時過熱爆管特征；斷口處未見脹粗，斷口部位有塑性變形，存在明顯的“剪切唇”。斷口尺寸如圖3（b）所示，經測量其內徑分別為37.58、35.88"mm。沿斷口斷面選取5點進行壁厚測量，數值分別為5.64、5.24、4.92、5.60、4.86"mm，可見斷口部位存在"減薄。

2.2"nbsp;""化學成分分析

為探究失效管材質是否滿足要求，采用定量光譜儀對爆口管和斷口管化學成分進行測試分析，測試取樣位置位于管段爆口和斷口處，分析結果如表1所示。由此可知，兩個試樣的化學成分均符合DIN17175?79標準中對15Mo3鋼的化學"成分要求。

2.3""""力學性能分析

對爆口管段和相鄰正常管段取樣進行力學性能試驗，結果如表2所示。試驗結果表明，爆口管斷后伸長率低于DIN17175?79標準規定值，抗拉強度相比正常管段上升明顯，可見爆口管段強度提高，塑性下降。

2.4""""金相組織及硬度分析

在爆口管段遠離爆口兩端、爆口邊緣和爆口對面位置分別取樣進行金相檢驗，分析其組織形貌。爆口兩端外側顯微組織分別如圖4（a）、4（b）所示，可見，其組織發生了變化，存在大量鐵素體。爆口對面顯微組織如圖4（c）所示，其組織相對正常。爆口尖端和邊緣顯微組織分別如圖4（e）、4（f）所示，其組織為鐵素體"+"回火索氏體，且爆口尖端鐵素體被拉長，可見爆口壁溫在Ac1"～"Ac3（Ac1和Ac3分別為鋼加熱時珠光體開始向奧氏體轉變時的溫度和加熱時完全轉變為奧氏體的溫度）之間，爆口處金相組織符合短時過熱爆管的微觀組織特征。

為了進一步探究爆口管段力學性能的變化，對爆口處、爆口附近和爆口對面進行維氏硬度測試，檢測結果如表3所示，其中Ⅰ、Ⅱ處分別對應于爆口管沿介質流向1點鐘方向和3點鐘方向。結果表明，硬度的檢測結果與金相結果一致，爆口處硬度明顯增高。

在斷口管段的斷口尖端以及尖端附近取樣進行金相檢驗，結果如圖5所示。斷口部位金相組織均為鐵素體"+"珠光體，未見明顯老化和裂紋，斷口尖端組織出現拉長變形，斷口為穿晶斷口，符合韌性斷裂特征。結合前文的分析，可以初步排除由材料本身原因及運行期間材料顯微組"織發生變化引起斷管。

2.5""""SEM形貌與能譜分析

在爆口部位如圖6中a和b處取樣，分別在掃描電鏡下觀察形貌。a處樣品的掃描電鏡結果如圖7所示，可見管壁爆口被異物覆蓋，已不能辨別斷裂模式。對a處爆口表面進行能譜檢測，表面能譜如圖8所示，爆口表面異物主要元素為Fe和O，以及Si、Al、Ca等。b處樣品的掃描電鏡結果如圖9所示。該位置也有異物覆蓋，但能觀察到該位置存在明顯的具有方向性的韌窩，符合韌性斷裂特征。

截取斷口管整個斷口作為樣品，在掃描電鏡下觀察整圈斷口表面形貌。同樣發現大部分管壁斷口被異物覆蓋，已不能辨別斷裂模式，如圖10（a）所示。觀察整圈斷口時發現，斷口整體氧化嚴重，且有異物覆蓋，但能觀察到多處存在疑似韌性斷裂特征，分別如圖10（b）"～"（d）所示。對斷口表面異物進行能譜檢測，檢測結果如"圖11所示。斷口表面異物主要元素為Fe和O。

3""""討論分析

爆管屬于短時過熱爆管，且超溫幅度在Ac1"～Ac3之間。該管由于工作條件惡化，管壁溫度在短期內上升，溫度達到或超過鋼材的下臨界點A，材料強度急劇下降，已不足以承受管內介c1質壓力，管外側由于不受相鄰管段鰭片的約束首先發生塑性變形，管徑脹粗，管壁減薄，直至爆管。管段爆破時，熾熱的管壁被管內高速噴出的介質迅速冷卻，相當于進行一次不完全淬火，隨后隨爐冷卻，爆口處顯微組織中出現回火索氏體；而斷口管的斷口屬于韌性斷裂，該管在斷裂前未發生材質劣化，該管受到外力后，發生塑性變形，斷面減薄、斷裂。

經了解現場情況，分析其原因為該鍋爐曾發生爐頂落焦砸在捕渣屏上的情況，斷口管在現場布置在捕渣屏上層第一排且變形嚴重，推斷該斷口管是因為受到爐頂落焦的沖擊而被拉斷。爆口管段在W型爐膛底部捕渣屏的另一側，與斷口管段在鍋爐中是同屬一根管。短時過熱爆管通常是由于管內工質流量減少，不能很好地帶走熱量，導致管壁超溫所致。由于W型爐膛的另一側管段發生斷裂后，管內工質泄漏，進入該管段的介質流量減少，從而導致超溫爆管。除此之外，耐熱材料的脫落也會導致熱負荷的集中，加"速管段的超溫爆管。

4""""結論

本文通過宏觀特征、化學成分、力學性能分析，以及金相檢驗、硬度檢測和電鏡觀察等分析試驗并結合現場實際情況，對捕渣屏水冷壁管爆管和斷管原因進行分析。發現斷口管和爆口管在鍋爐中同屬一根管，推斷該斷口管是因為受到爐頂落焦的沖擊，導致該管被拉斷。爆管屬于短時過熱爆管，通常是由于管內工質流量減少，不能及時帶走熱量，導致管壁超溫。爆口處顯微組織中出現回火索氏體，而斷口管的斷口屬于韌性斷裂。針對失效分析原因，提出以下改進建議：①建議電廠加強運行管理，運行期間及時調整爐膛內燃燒狀況，控制結焦。②在檢修期間加強對捕渣屏水冷壁外敷設的耐熱材料的檢查，及時修復脫落的耐熱材料。③專項排查捕渣屏水冷壁管的磨損、變形、鼓包等異常情況，并對其進行相應的記錄和跟蹤檢查，必要時進行更換。④設計時采用防砸耐磨的捕渣屏水冷壁保護結構，提高捕渣屏防砸能力，降低因結焦脫落而造成水冷壁失效的事故發生率。

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