一臺(tái)鍋爐水冷壁管爆裂原因分析

張 明

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院蘇州分院，江蘇 蘇州 215128

1 概況

工業(yè)鍋爐水冷壁管是鍋爐關(guān)鍵部件之一，長(zhǎng)期承受高溫，高壓，爐氣，水蒸汽的腐蝕和沖刷，工作環(huán)境惡劣。水冷壁管爆裂往往造成巨大的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。蘇州市某廠一臺(tái)D ZL4-13型快裝鍋爐1998年10月制造，2002年8月移入該廠投入使用。該鍋爐額定壓力1.27MPa，實(shí)際使用壓力1.0MPa，水冷壁管材料為20鋼，規(guī)格為φ63.5×3.5（GB3087）。在運(yùn)行3年后發(fā)生水冷壁管爆裂，大量的高溫，高壓的汽水噴出，造成鍋爐無(wú)法正常運(yùn)行而緊急停爐。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是在爐膛左側(cè)前數(shù)水冷壁第七根管發(fā)生爆管，其左右相鄰三根管子均有不同程度脹粗現(xiàn)象。

2 爆裂部位宏觀檢查

爆裂口在爐膛左側(cè)前數(shù)水冷壁第七根管的下端部，處于爐膛高溫輻射區(qū)域。爆裂處管子出現(xiàn)脹粗和鼓包現(xiàn)象。破裂口基本呈L形狀的縱向和橫向分布。爆管裂口較小，破裂面粗糙不平整，邊緣較鈍。爆裂處外表面上覆蓋有較脆且容易剝落的氧化皮。爆裂管向火面脹粗程度明顯大于背火面，最大脹粗直徑實(shí)測(cè)為φ70，相對(duì)脹粗量為9.4%。管外壁覆蓋較厚的氧化皮，一般均大于1.5mm。管內(nèi)則結(jié)有很厚的灰白色水垢，經(jīng)測(cè)量均大于15mm。

3 硬度測(cè)試和金相分析

爆裂處向火面硬度（HB）值為89，爆裂處背火面硬度（HB）值為112，遠(yuǎn)離爆裂處的管子正常部位硬度（HB）值為150，由此可知爆裂處的力學(xué)性能強(qiáng)度指標(biāo)已有較顯著降低。在水冷壁管爆裂處分別截取縱向與橫向試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，遠(yuǎn)離爆裂處的管子背火面顯微組織為鐵素體 +片狀珠光體，屬于 20 鋼正常組織。

靠近爆裂處的顯微組織為鐵素體 +球狀碳化物，原有片狀珠光體區(qū)域形態(tài)已完全消失。

4 運(yùn)行情況調(diào)查

審查該爐原始技術(shù)資料及歷次檢驗(yàn)報(bào)告，2004年8月內(nèi)檢報(bào)告：整改后運(yùn)行，鍋內(nèi)及集箱內(nèi)有大量水垢附著厚度大于2mm，覆蓋率大于80%，至水冷壁管爆裂時(shí)未整改。在鍋爐運(yùn)行的近 3年期間內(nèi)，一值選用水質(zhì)較差的河水且未能正確掌握和使用好水處理設(shè)備鈉離子交換器，致使鍋爐給水硬度指標(biāo)未能達(dá)到低壓鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。鍋爐操作人員多次在系統(tǒng)缺水的情況下向鍋爐內(nèi)補(bǔ)進(jìn)未經(jīng)處理的河水，使鍋爐給水硬度、濁度指標(biāo)大大超標(biāo)。沒(méi)有認(rèn)真執(zhí)行定期排污制度，在鍋爐運(yùn)行期間未定期排污。

5 爆管原因分析

當(dāng)鍋爐給水不經(jīng)處理或處理不好時(shí)，水中含有的結(jié)垢物質(zhì)進(jìn)入鍋爐，它們?cè)阱仩t內(nèi)有的受熱分解，生成難溶的沉淀物析出，某些具有負(fù)溶解度的鹽類，隨溶解度下降，從水中沉淀析出; 有的由于水的不斷蒸發(fā)濃縮超過(guò)飽和濃度而沉淀析出。這些析出的沉淀物或懸浮在水中稱為泥渣，或牢固地粘結(jié)在受熱面內(nèi)壁上，形成質(zhì)地密實(shí)的水垢。水垢的導(dǎo)熱性能極差，比鋼的導(dǎo)熱能力小幾十倍到幾百倍。受熱面管子結(jié)垢后從管外吸收高溫輻射的熱量不能及時(shí)被水流帶走，降低了高溫和管內(nèi)循環(huán)水的熱交換效率，直接影響到水冷壁金屬管的有效冷卻。受熱面上結(jié)垢后，阻礙水、汽吸收煙氣的熱量，會(huì)降低鍋爐蒸發(fā)量，使排煙溫度升高，造成排煙熱損失增加，鍋爐效率降低，增加鍋爐燃料的消耗。受熱面管子結(jié)垢后，其壁溫會(huì)升高，這又加速了水垢進(jìn)一步形成的物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程。如此周而復(fù)始，使得水垢越結(jié)越多，越結(jié)越厚，其后果是減少了水冷壁管內(nèi)有效水流截面積，大大增加了水循環(huán)流動(dòng)阻力，水流量下降，從而破壞了正常水循環(huán)，甚至可能造成水循環(huán)停滯的嚴(yán)重情況。水垢的產(chǎn)生和增厚，導(dǎo)致水冷壁管在爐膛高溫輻射下得不到及時(shí)的降溫局部壁溫逐漸升高，管子就處在超溫運(yùn)行，使承壓強(qiáng)度降低，引起金屬過(guò)熱，受熱面管子脹粗變形，甚至引起爆管。硬度測(cè)試表明，爆裂處的抗拉強(qiáng)度確實(shí)有所降低。

6 預(yù)防措施

1）該水冷壁管爆裂原因是由于水垢引起管壁局部過(guò)熱，在長(zhǎng)期超溫運(yùn)行的情況下，使承壓強(qiáng)度降低，受熱面開始變形，管子慢慢地脹粗而管壁減薄，最終引起管子鼓包、 穿孔直至破裂，釀成爆管事故。因此應(yīng)加強(qiáng)水處理工作。根據(jù)地區(qū)水質(zhì)情況，鍋爐用水量及鍋爐用途選擇合適的沉清池或機(jī)械過(guò)濾器。

2）在鍋外水處理的基礎(chǔ)上可配置鍋內(nèi)加藥作為輔助處理，以進(jìn)一步消除給水中的殘余硬度，調(diào)節(jié)鍋水堿度。

3）進(jìn)一步加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行管理，做好定期排污工作。

4）對(duì)鍋爐檢驗(yàn)單位在檢驗(yàn)報(bào)告中提出整改問(wèn)題應(yīng)及時(shí)整改。

5）及時(shí)發(fā)現(xiàn)并清除水垢及水渣，切實(shí)有效保證鍋爐運(yùn)行所需的正常水循環(huán)。

6）加強(qiáng)對(duì)爐水、給水的化學(xué)監(jiān)督，保證鍋爐用水的質(zhì)量品質(zhì)。水處理人員應(yīng)經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)，持證上崗。對(duì)水處理設(shè)備應(yīng)定期進(jìn)行檢修和維護(hù)，保證水處理設(shè)備在正常運(yùn)行中能送出質(zhì)量合格數(shù)量充足的鈉離子軟化水。

[1]譚彥顯，吳瑞祥.鍋爐管爆裂失效的分析研究.湖南冶金，2001(3).

[2]王士能.20t/h鍋爐水冷壁管爆裂原因探討.理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè))，2001(1).

[3]馬慶謙，游菊.鍋爐水冷壁管爆管原因分析.理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè))，2004(9).

[4]陳學(xué)俊.鍋爐原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.