工業(yè)鍋爐鍋筒鼓包案例分析

張正華

（武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所，湖北 武漢 430024）

工業(yè)鍋爐鍋筒鼓包案例分析

張正華

（武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所，湖北 武漢 430024）

對(duì)一例鍋筒鼓包進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)和取樣檢測(cè)，分析產(chǎn)生鼓包的原因并提出處理建議。

鼓包；過熱；球化；脫碳

鍋筒是鍋爐的重要受壓元件和傳熱元件，如果鍋筒底部直接承受高溫負(fù)荷，加之內(nèi)部沉積水垢、水渣，工作條件將十分惡劣，極易產(chǎn)生鼓包和裂紋等缺陷。某塑膠廠一臺(tái)型號(hào)為DZG2-0.7-AⅢ的鍋爐，使用單位在鍋爐運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)鍋筒底部鼓包。該鍋筒采用厚10mm的20g （GB/713-1997）鋼板制成。

1 鍋爐鍋筒鼓包宏觀檢驗(yàn)

鼓包中心位置位于鍋筒底部前側(cè)距兩筒節(jié)環(huán)縫400mm處，變形區(qū)域近似橢圓（350×280mm），長(zhǎng)軸與鍋筒軸線平行，鼓包高度55mm，鼓包頂端有長(zhǎng)約20mm裂口。

鍋筒有結(jié)垢現(xiàn)象，厚度0.5～2.5mm，底部最厚2.5mm。鼓包的向火側(cè)氧化較嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)剝落的現(xiàn)象。

2 取樣檢測(cè)

將鼓包的鋼板整體割下，分別在鼓包開裂處（即鼓包變形最大的頂部部位）和鼓包起始處（即開始發(fā)生鼓包變形的部位）取樣進(jìn)行金相檢測(cè)、硬度檢測(cè)以及材質(zhì)檢測(cè)，試樣檢測(cè)面均為向火側(cè)。

2.1 金相組織

金相檢測(cè)采用的侵蝕劑均為4%硝酸酒精溶液，檢測(cè)結(jié)果如圖1、圖2所示。

由金相圖片可以看出鼓包起始處的金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體形態(tài)尚明顯，但區(qū)域中的碳化物已經(jīng)分散，并逐漸向晶界擴(kuò)散，屬于三級(jí)球化。鐵素體的晶粒度為7～8級(jí)。

鼓包開裂處的金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體形態(tài)消失，區(qū)域中的碳化物已經(jīng)逐漸長(zhǎng)大，逐漸向晶界擴(kuò)散并沿晶界成鏈狀分布，屬于五級(jí)球化，鐵素體的晶粒度為7～8級(jí)。

以上金相檢測(cè)結(jié)果表明，鍋筒鼓包處金相組織發(fā)生了變化，雖然鼓包起始處和鼓包開裂處的晶粒度區(qū)別不大，但兩處的金相組織中球光體球化程度有較大區(qū)別。

圖1 鼓包起始處金相組織 500倍

圖2 鼓包開裂處金相組織 500倍

2.2 硬度

對(duì)兩處試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果是鼓包起始處的平均硬度為119HB，鼓包開裂處的平均硬度為104HB。

2.3 材質(zhì)

在兩處取樣進(jìn)行化學(xué)成分試驗(yàn)，兩處取樣的主要化學(xué)成分結(jié)果與GB/713-1997中25mm以下厚度的20g鋼板的技術(shù)要求見表1。由表1可見兩處的主要化學(xué)成分區(qū)別并不大，但是兩處的含碳量均偏低。

表1 化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果

3 討論與分析

鍋筒有較嚴(yán)重結(jié)垢現(xiàn)象表明鍋爐給水品質(zhì)不符合要求，導(dǎo)致鍋筒底部結(jié)生水垢太厚，因水垢的導(dǎo)熱系數(shù)僅有鋼板導(dǎo)熱系數(shù)的幾十分之一到近百分之一，相當(dāng)于一層隔熱體鋼板受到爐內(nèi)輻射熱后，從而嚴(yán)重阻礙了鍋筒底部的傳熱，使鍋筒底部得不到有效地冷卻，金屬壁面溫度會(huì)急劇升高，導(dǎo)致鼓包處受熱過高。

鼓包處向火側(cè)出現(xiàn)可剝落的氧化層也表明此處在使用過程中受熱過高。

通過以上檢測(cè)試驗(yàn)，鼓包處金屬材料受熱過高導(dǎo)致了以下三個(gè)方面的結(jié)果。

3.1 受熱過高直接導(dǎo)致使用狀態(tài)下金屬強(qiáng)度比設(shè)計(jì)低

金屬在一定使用溫度下會(huì)隨使用溫度的升高其強(qiáng)度會(huì)降低。這是因?yàn)榻饘俨牧嫌山饘僭咏M成，溫度上升，其原子活動(dòng)更加劇烈，其組織結(jié)構(gòu)就表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，因此強(qiáng)度就下降，受到外力也就容易變形。

例如20號(hào)鋼在250℃時(shí)抗拉強(qiáng)度為470MPa，而500℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度只有100MPa左右。鍋筒在使用狀態(tài)下，結(jié)垢嚴(yán)重處的金屬壁溫比設(shè)計(jì)高很多而直接導(dǎo)致金屬強(qiáng)度比設(shè)計(jì)預(yù)期低，在鍋內(nèi)介質(zhì)壓力作用下鍋筒就可能會(huì)在底部結(jié)垢部位發(fā)生鼓包。

3.2 金相組織發(fā)生珠光體球化導(dǎo)致金屬性能下降

通過上述試驗(yàn)結(jié)果可知：鼓包起始處和鼓包開裂處的金相組織雖然均為鐵素體+珠光體，而且二者鐵素體的晶粒度區(qū)別也不大，但是后者珠光體球化更為嚴(yán)重，這是因?yàn)殄佂矁?nèi)存在水垢，造成鼓包局部受熱不均且受熱過高致使珠光體球化加劇。

參照DL/T674-1999可知20號(hào)鋼在未球化、3級(jí)球化、完全球化時(shí)對(duì)應(yīng)的常溫性能如表2。20g珠光體球化不僅會(huì)導(dǎo)致其蠕變極限下降25%左右，而且其它的性能也會(huì)降低。

因此，結(jié)垢處金屬發(fā)生球化使其金屬性能下降可能導(dǎo)致鍋筒鼓包。

表2 20號(hào)鋼在不同球化等級(jí)下的常溫機(jī)械性能

3.3 在過熱條件下工作致使金屬脫碳，從而使金屬硬度、強(qiáng)度降低

試驗(yàn)結(jié)果表明兩處的化學(xué)成分雖然符合GB/713-1997，但是含碳量偏低，這是因?yàn)楣陌幨軣徇^高，造成一定的脫碳現(xiàn)象，參照硬度試驗(yàn)的結(jié)果正好也表明碳含量的降低致使兩處的硬度值低于相應(yīng)球化等級(jí)下的硬度值。一般情況下，金屬材料的硬度和強(qiáng)度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即硬度越高，一般強(qiáng)度越高。因此脫碳也導(dǎo)致了金屬強(qiáng)度下降從而可能導(dǎo)致鍋筒鼓包。

以上三個(gè)因素對(duì)鍋筒發(fā)生鼓包、甚至開裂失效的均存在促進(jìn)作用，但是其作用大小可能有所不同。

4 結(jié)論及處理建議

該鍋筒鼓包失效是由于在鼓包處積存大量的水垢，嚴(yán)重影響了熱傳導(dǎo)，使得鼓包處金屬材料受熱過高，從而導(dǎo)致該處存在促進(jìn)鍋筒鼓包失效的三個(gè)具體因素：

（1）使用狀態(tài)下金屬強(qiáng)度比設(shè)計(jì)低；

（2）發(fā)生珠光體球化導(dǎo)致金屬性能下降；

（3）金屬脫碳使金屬硬度、強(qiáng)度降低。

由于鍋筒的鼓包嚴(yán)重，無法采用加熱、頂壓工藝使鍋筒恢復(fù)原狀。

因此，根據(jù)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和使用單位的要求，可對(duì)鍋筒底部嚴(yán)重鼓包部位采用挖補(bǔ)方法進(jìn)行修復(fù)。另外，使用過程中要嚴(yán)格保證鍋爐水質(zhì)，定期除垢。

[1]中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T674-1999.火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國電力出版社，1999.

[2]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB713-1997.鍋爐用鋼板[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[3]李愛民，姚華明.KZ型臥式外燃快裝鍋爐鍋筒底部鼓包的原因及處理[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2005,18(6):115～116.

TK228

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1671-0711（2016）11（下）-0062-02