某循環(huán)流化床鍋爐水冷壁爆管原因分析

蓋紅德王建華戴家輝馬加朋郭 雷何 山張建華（.山東省特種設備檢驗研究院 濟南 500）（.山東省特種設備檢驗研究院濰坊分院 濰坊 6000）

某循環(huán)流化床鍋爐水冷壁爆管原因分析

蓋紅德1王建華2戴家輝1馬加朋1郭 雷1何 山1張建華2
（1.山東省特種設備檢驗研究院 濟南 251010）
（2.山東省特種設備檢驗研究院濰坊分院 濰坊 261000）

摘 要：通過宏觀檢查、化學成分分析、機械性能測試、金相組織及垢樣成分分析等方法對某電廠YG-240/9.8-M1型鍋爐的水冷壁爆管原因進行了分析。分析結果表明管內壁有多處腐蝕凹坑，爆口處存在脫碳層和大量微裂紋，最后得出本次水冷壁爆管原因是氫損傷，并提出了針對性的預防措施。

關鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐 水冷壁 爆管 氫損傷

某熱電廠一臺YG-240/9.8-M1型單汽包、自然循環(huán)的循環(huán)流化床鍋爐，采用由膜式壁、高溫旋風分離器、返料器、流化床組成的循環(huán)燃燒系統(tǒng)，爐膛為膜式水冷壁結構，過熱器分Ⅲ級布置，中間設Ⅱ級噴水減溫器，尾部設三級省煤器和一、二次風預熱器。其爐膛是由φ60×5鋼管和20.5×6mm扁鋼焊制而成的膜式壁管組成，管子材質為20G。本次水冷壁爆管發(fā)生在由后向前數第26根管右側水冷壁管，部位在爐膛下部衛(wèi)燃帶以上80cm的高熱負荷區(qū)域。該爐至爆管時累計運行約26000h。

為確保該鍋爐長周期安全運行，筆者對其爆管的原因進行了分析。本文主要通過宏觀檢查、化學成分分析、機械性能測試、金相分析及能譜分析等方法對爆管的樣管進行分析，確定本次爆管原因，并提出了相關措施。管子化學成分在FOUNDRY-MASTER Compact型臺式光譜儀上進行；室溫拉伸試驗在MTS880型電液伺服試驗機上進行；在OLYMPUS GX71型光學顯微鏡下進行金相分析；垢樣能譜分析在裝有EDAX能譜儀附件的Fei Quanta 400HV型掃描電子顯微鏡下進行。

1　試驗分析

1.1宏觀形貌檢查

圖1　宏觀形貌

水冷壁爆口部位的宏觀形貌見圖1。從圖1（a）中可以看出爆口外表面無腐蝕磨損痕跡；爆口呈縱向開裂，縱向長256mm，邊緣粗糙且無明顯減薄，管徑未見明顯脹粗，為脆性斷裂爆口；爆口周圍內表面粗糙不平，局部無規(guī)則分布有多個大面積腐蝕凹坑，腐蝕凹坑深淺不一，凹坑處管壁最薄約2mm，部分腐蝕凹坑上覆蓋有大量致密黑色鱗片狀垢層（見圖1（b）和圖1（c））。

1.2化學成分分析

對爆口周圍管子做化學成分分析，結果見表1。由表1可知，管子的化學成分符合GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》［1］對20G鋼管的要求，材質無異常。

表1　管子的化學成分（質量分數，Wt　%）

1.3力學性能測試

取遠離爆口且無腐蝕凹坑的背火側管子進行力學性能測試，結果見表2。由表2可知，管子的力學性能符合GB 5310—2008［1］對20G鋼管要求（410MPa～550MPa），表明無腐蝕部分管子抗拉強度正常。

表2　管子的常溫力學性能

1.4微觀組織分析

圖2　管子微觀組織

爆口及其附近金相組織見圖2。爆管背火側的金相組織正常，為鐵素體+珠光體組織，未見微裂紋，具體見圖2a。從圖2b和圖2c中可以看出，爆口處可見由內壁向外壁擴展的微裂紋，微裂紋沿晶界擴展，微裂紋上又出現分支裂紋，裂紋內部沒有腐蝕產物，裂紋附近金相組織形態(tài)未見明顯變化。圖2d、圖2e及圖2f為管子內壁腐蝕凹坑下的拋光圖和金相組織圖。從圖中可以看出，腐蝕凹坑下存在嚴重脫碳層，且在縱向存在大量微裂紋。

1.5垢樣成分分析

圖3　管子內壁垢層能譜分析

對爆口附近的管子內壁垢層進行能譜分析，垢層成分見圖3。從圖中可以看出，垢層中主要有O、Fe、C、Mn、P等元素，其中O來自于鐵的氧化物，Fe、C、Mn來源于基體金屬材料，Na、P來自于水處理中加入的磷酸鹽。

2　爆管原因分析

管子的化學成分和機械性能分析顯示管子符合標準要求；爆口宏觀形貌表明其為典型的脆性開裂；金相組織分析發(fā)現在管子內壁垢層下存在大量微裂紋，且內壁有明顯的脫碳層；能譜分析未發(fā)現垢樣中有異常元素，以上各項分析結果表明爆管是由氫損傷導致的。

本次爆管發(fā)生在爐膛下部衛(wèi)燃帶以上80cm區(qū)域，該區(qū)域熱負荷高，管外壁溫度高，管內工質處于由水向汽水混合物轉變過程，因蒸汽溶鹽能力非常小，所以該部位爐水中的鹽被濃縮，因而其水質逐漸惡化，導致雜質和腐蝕物等易在該部位積聚，使積聚部位傳熱惡化，產生局部垢下濃縮。垢下濃縮使得垢下的氧化鐵保護膜被破壞，發(fā)生垢下反應：4H2O+3Fe=Fe3O4+8［H］，加快內壁金屬腐蝕速度，生成的原子態(tài)氫化學活性高，又因垢層阻擋難以擴散到汽水混合物中，因而其向金屬基體擴散，與金屬組織中的滲碳體發(fā)生化學反應：Fe3C+4［H］=3Fe+CH4，造成微觀組織脫碳，所生成的甲烷分子由于擴散系數低，聚集于晶界處，產生很大內應力，引起晶界開裂，所以垢層下可看到大量微裂紋。隨著氫損傷的加劇，晶間裂紋不斷生成長大并連接起來，使基體強度、韌性及塑性等性能急劇降低，最終導致爆管［2-3］。

3　預防措施

為避免氫損傷的再次發(fā)生，確保鍋爐的長期安全運行，根據氫損傷產生的特點，需要采取以下措施進行防范：

1）加強金屬監(jiān)督。采取測厚、X射線照相及金相抽查等方法，定期對易發(fā)生氫損傷區(qū)域的水冷壁管進行檢測，及時更換已發(fā)生氫損傷的管段，并在更換結束后進行化學清洗。

2）加強化學監(jiān)督。嚴格控制給水品質，避免因給水不合格導致管內結垢，引起垢下濃縮；加強鍋爐排污管理，確保爐水品質合格；定期進行化學清洗，除去管內沉積物；做好停爐保護，防止停爐期間發(fā)生腐蝕。

3）改善爐內燃燒環(huán)境。通過調整燃燒、合理配風，降低管壁溫度，防止超溫；防止鍋爐長期低負荷運行，避免因水冷壁管水動力循環(huán)不穩(wěn)定，導致個別管子產生循環(huán)停滯現象。

4）嚴格運行管理。要求司爐人員嚴格按照規(guī)程操作，避免人為操作引起的安全隱患。

4　結論

本次爆管后，電廠技術人員對鍋爐采取了以上預防措施，經過半年的實際運行，目前鍋爐進行內部檢驗，未發(fā)現氫腐蝕現象，說明以上措施合理有效，對相關鍋爐預防氫腐蝕有一定的參考作用。

參考文獻

［1］GB 5310—2008 高壓鍋爐用無縫鋼管［S］.

［2］李義民，史志剛，許香龍，等.某DG440/13.7-Ⅱ2型循環(huán)流化床鍋爐水冷壁爆管原因分析［J］.熱力發(fā)電，2013，42（2）：82-85.

中圖分類號：X933.4

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）02-0060-03

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.02.015

作者簡介：蓋紅德（1980～），男，博士，高級工程師，從事鍋爐檢驗及失效分析工作。

收稿日期：（2015-06-16）

Cause Analysis of Tube Explosion of a CFB Boiler's Water Wall

Gai Hongde1Wang Jianhua2Dai Jiahui1Ma Jiapeng1Guo Lei1He Shan1Zhang Jianhua2
（1. Shandong Special Equipment Inspection Institute Ji'nan 251010）
（2. Shandong Special Equipment Inspection Institute Weifang Branch Weifang 261000）

AbstractThe reason of tube burst on a YG-240/9.8-M1 CFB boiler’s water wall was investigated by microscopic examination，chemical composition analysis，mechanical performance test，microstructure analysis and scale sample composition analysis. The results showed that there were many corrosion pits on internal surface of tube，decarburized layer and micro cracks were found at the fracture. This tube burst was caused by hydrogen damage，and corresponding prevention measures were put forward.

KeywordsCFB Water wall Tube explosion Hydrogen damage