一起鍋爐爆管原因分析及對(duì)策

李 杰 顧素蘭 陸 頻

（上海金藝檢測(cè)技術(shù)有限公司)

一起鍋爐爆管原因分析及對(duì)策

李 杰*顧素蘭 陸 頻

（上海金藝檢測(cè)技術(shù)有限公司)

對(duì)一起鍋爐爆管事故的原因進(jìn)行了分析，對(duì)存在的問(wèn)題提出了改進(jìn)措施，以期減少該類事故的發(fā)生，保證鍋爐的正常運(yùn)行。

鍋爐 水管 爆管 事故 壓力容器

0 前言

某工業(yè)鍋爐在使用過(guò)程中發(fā)生了爆管現(xiàn)象，一根強(qiáng)制冷卻管和一根水冷卻管各有一處破裂，且二處破裂點(diǎn)為相向?qū)?yīng)部位。鍋爐爐管的部位見(jiàn)圖 1。該鍋爐額定蒸發(fā)量 5.96 kg/h，蒸汽溫度234.5℃，額定出口蒸汽壓力2.94 MPa，使用時(shí)間已超過(guò)15年。

圖1 鍋爐爐管

1 宏觀檢查

（1）水冷壁管：泄漏破口呈圓孔狀，表面孔徑大，內(nèi)部孔徑小，破口處管壁明顯減薄。水冷壁管破口詳見(jiàn)圖2。

圖2 水冷壁管破口形貌

（2）強(qiáng)制循環(huán)管：破口呈長(zhǎng)方形，破口處管壁由內(nèi)向外翻起，破口部位側(cè)管道外部可見(jiàn)明顯的沖刷腐蝕的痕跡 （長(zhǎng)度約120 mm，寬度約1/3周長(zhǎng)），管壁厚度明顯減薄，破口處可見(jiàn)管壁最薄小于0.5 mm；管子內(nèi)壁存在較厚的一層白色結(jié)垢物，最厚處約為3 mm。強(qiáng)制循環(huán)管破口形貌詳見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 強(qiáng)制循環(huán)管破口形貌

圖4 強(qiáng)制循環(huán)管破口橫截面形貌

2 化學(xué)成分分析

查設(shè)計(jì)資料，水冷壁管、強(qiáng)制循環(huán)管材料均為S-TEN1。按GB/T 4336—2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水冷壁管、強(qiáng)制循環(huán)管進(jìn)行光譜分析，化學(xué)成分如表1所示。

將管線材料化學(xué)成分與S-TEN1材料對(duì)照分析可見(jiàn)，基本滿足要求。

3 硬度檢測(cè)

在強(qiáng)制循環(huán)管 （取一處）、水冷壁管 （取爐膛側(cè)、爐膛外側(cè)各一處）上取樣，詳見(jiàn)圖5、圖6，進(jìn)行硬度檢測(cè)，按照GB/T 231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)硬度值如表2所示。

從檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，水冷壁管 （爐膛側(cè)）和強(qiáng)制循環(huán)管的硬度值均降低。

4 掃描電鏡腐蝕產(chǎn)物分析

對(duì)強(qiáng)制循環(huán)管內(nèi)壁結(jié)垢物進(jìn)行掃描電鏡分析可知，主要成分為O、Ca、C，少量成分為S、Mg、Si、Na，微量成分為Al。能譜分析詳見(jiàn)圖7。

表1 水冷壁管和強(qiáng)制循環(huán)管材料化學(xué)成分 （%）

圖5 水冷壁管取樣部位

表2 水管實(shí)測(cè)硬度值

圖6 強(qiáng)制循環(huán)管取樣部位

從掃描電鏡結(jié)果來(lái)分析，內(nèi)壁結(jié)垢物層應(yīng)為鈣鎂混合物及硅酸鹽類等混合物。

5 金相及硬度檢測(cè)

管道材料為S-TEN1，供貨狀態(tài)下鋼的顯微組織狀態(tài)一般是鐵素體 （F）+珠光體 （P），珠光體主含量控制在15%左右。

圖7 能譜分析部位及能譜分析圖譜

（1）強(qiáng)制循環(huán)管：破口和非破口部位。

① 強(qiáng)制循環(huán)管內(nèi)壁存在氧化腐蝕凹坑及較厚的結(jié)垢物層 （即水垢，從掃描電鏡結(jié)果分析，應(yīng)為鈣鎂混合物及硅酸鹽類等），外壁存在氧化現(xiàn)象，破口處管壁明顯減薄。

② 強(qiáng)制循環(huán)管破口處及非破口處管子的金相組織均為鐵素體、珠光體、球化體，見(jiàn)圖8～圖10。參照DL/T 674—1999《火電廠用20#鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，其球化級(jí)別評(píng)為3.0級(jí)，屬輕度球化。同時(shí)，參照GB/T 6394—2002 《金屬平均晶粒度評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，組織晶粒度評(píng)為8級(jí)，組織晶粒度較細(xì)。 材料中的非金屬夾雜物， 參照 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，評(píng)為 D1.5級(jí) （硅酸鹽類）。同時(shí)，可見(jiàn)管子內(nèi)壁有氧化腐蝕凹坑及較厚的結(jié)垢物層，外壁存在氧化現(xiàn)象，見(jiàn)圖11。

（2）水冷壁管：破口和非破口部位。

① 水冷壁管爐膛外側(cè)管子的內(nèi)外壁均存在氧化但無(wú)氧化裂紋，爐膛側(cè)管子的內(nèi)外壁均存在氧化裂紋，破口處內(nèi)外壁也存在氧化裂紋，且破口處管壁明顯減薄，管壁的減薄由外向內(nèi)形成凹坑。

圖8 強(qiáng)制循環(huán)管橫向內(nèi)壁組織形貌（250×）

圖9 強(qiáng)制循環(huán)管橫向外壁組織形貌（250×）

圖10 強(qiáng)制循環(huán)管破口處組織形貌（250×）

圖11 強(qiáng)制循環(huán)管破口處橫向內(nèi)壁形貌（50×）

② 水冷壁管爐膛外側(cè)管子的金相組織為鐵素體、珠光體、球化體；水冷壁管爐膛側(cè)管子的金相組織與破口處基本相同，均為鐵素體、球化體，珠光體形態(tài)基本消失，鐵素體晶界及晶內(nèi)存在球狀碳化物并逐漸長(zhǎng)大。參照DL/T 674—1999《火電廠用20#鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，爐膛外側(cè)管子的球化級(jí)別評(píng)為3.0級(jí)，屬輕度球化；爐膛側(cè)、破口處管子的球化級(jí)別評(píng)為5.0級(jí)，屬完全球化，見(jiàn)圖12～圖15。參照GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，爐膛外側(cè)管子的組織晶粒度評(píng)為8級(jí)，組織晶粒度較細(xì)；爐膛側(cè)管子的組織晶粒度評(píng)為4～5級(jí)，組織晶粒度已長(zhǎng)大。材料中的非金屬夾雜物，參照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，評(píng)為A1.5級(jí) （硫化物類）、D1.5級(jí) （硅酸鹽類）。

圖12 水冷壁管爐膛外橫截面管子內(nèi)壁組織形貌（100×）

圖13 水冷壁管爐膛外橫截面管子外壁組織形貌（100×）

圖14 水冷壁管爐膛側(cè)破口處橫截面組織形貌（250×）

圖15 水冷壁管爐膛側(cè)管子內(nèi)壁氧化裂紋形貌（100×）

6 破口原因分析

（1）強(qiáng)制循環(huán)管：內(nèi)壁存在氧化腐蝕凹坑及較厚的結(jié)垢物層 （即水垢，從掃描電鏡結(jié)果分析，應(yīng)為鈣鎂混合物及硅酸鹽類等），外壁存在鍋爐煙氣的沖刷腐蝕 （長(zhǎng)度約120 mm，寬度約1/3周長(zhǎng)），使管壁厚度明顯減薄 （破口處管壁小于0.5 mm）。鍋爐運(yùn)行時(shí)，由于結(jié)垢物的存在，使管子的導(dǎo)熱能力急劇下降。物體的導(dǎo)熱能力通常用導(dǎo)熱系數(shù)表示。物體的導(dǎo)熱系數(shù)值越大，說(shuō)明該物體的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。鋼鐵與各類水垢的導(dǎo)熱系數(shù)為：鋼鐵47～52 W/（m·K），硫酸鹽0.58～2.33 W/（m·K）；碳酸鹽0.47～0.70 W/（m·K）；硅酸鹽0.27～0.47 W/（m·K）。可以看出水垢的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼鐵的近1／100。垢層增厚，傳熱能力會(huì)顯著降低，同時(shí)管子壁溫也會(huì)增高，使管子承壓強(qiáng)度降低。此外，管道該部位還受到煙氣的沖刷，致使厚度減薄，最終在多種因素共同作用下導(dǎo)致該部位破裂。

（2）水冷壁管：水冷壁附近的煙氣成分 （如H2S、SO2）以及水冷壁的溫度是水冷壁管外側(cè)出現(xiàn)氧化腐蝕的原因。從管子破裂處形貌可見(jiàn)，強(qiáng)制循環(huán)管破裂后，噴出的蒸汽沖蝕以及管子已存在的氧化腐蝕共同導(dǎo)致了水冷壁管的破裂。

7 幾點(diǎn)建議

（1）嚴(yán)格執(zhí)行GB/T 1576《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)，把住水質(zhì)關(guān)。 （2）避免鍋爐水位過(guò)低，造成局部管壁溫度過(guò)高。 （3）要定期 （1～2年）對(duì)受熱面管子及破口管更換部位進(jìn)行檢查，如進(jìn)行管道的超聲測(cè)厚、滲透檢測(cè)、金相檢測(cè)、硬度檢測(cè)等，必要時(shí)進(jìn)行割管檢查，以了解管內(nèi)結(jié)垢與腐蝕情況，若發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時(shí)換管。

Analysis and Strategy of Boiler Pipe Explosion

Li Jie Gu Sulan Lu Pin

According to the analysis of boiler pipe explosion,puts forward improvement measures for existing problems,hoping to reduce the similar accidents and ensure the normal operation of boiler.

Boiler;Pipe;Pipe explosion;Accident;Pressure vessel

TK 22

2014-04-03）

*李杰，男，1974年生，工程師。上海市，201900。