循環(huán)流化床鍋爐埋管泄漏原因分析

錢 錕

(上海寶冶工程技術(shù)有限公司, 上海 200941)

循環(huán)流化床鍋爐埋管泄漏原因分析

錢 錕

(上海寶冶工程技術(shù)有限公司, 上海 200941)

采用宏觀分析、化學(xué)成分分析、金相分析、硬度測試、斷口分析、X射線衍射等方法，對某循環(huán)流化床鍋爐埋管在使用約1.1×104h后出現(xiàn)泄漏的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：埋管下彎管段水垢過厚，導(dǎo)致其外壁長期處于超溫狀態(tài)，產(chǎn)生珠光體球化及脫碳現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了管壁的強(qiáng)度和硬度；同時，爐膛內(nèi)介質(zhì)對下彎管段外壁沖刷作用較大，加大了管壁減薄速率；以上原因?qū)е侣窆芟聫澒芏纬霈F(xiàn)早期泄漏失效。

循環(huán)流化床；埋管；水垢；珠光體球化；脫碳；沖刷；泄漏

某循環(huán)流化床鍋爐中的埋管在使用約1.1×104h后出現(xiàn)早期泄漏失效。停爐檢查發(fā)現(xiàn)，多根埋管在下彎管段均出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，具體位置見示意圖1。

該流化床鍋爐內(nèi)溫度為900～1 000 ℃，燃燒介質(zhì)為煤和煤矸石，粒徑小于10 mm，介質(zhì)由爐膛上方注入，在爐底風(fēng)帽的作用下彌散于爐膛內(nèi)，高硬度、大密度的介質(zhì)顆粒會對埋管外壁產(chǎn)生沖刷作用。埋管主要作用是與高溫床料進(jìn)行熱交換，吸收整個鍋爐40%的熱量。埋管中介質(zhì)為純水，入口溫度約為100 ℃，入口處壓力約為3 MPa。

該埋管規(guī)格為φ51 mm×5 mm，材料為20無縫鋼管，經(jīng)冷彎加工后(管子彎曲半徑R=200 mm)于外表面焊接防磨環(huán)，加工標(biāo)準(zhǔn)采用JB/T 1611-1993《鍋爐管子制造技術(shù)條件》。防磨環(huán)由兩個半環(huán)組成，兩半環(huán)環(huán)向間不焊接(間隙不大于4 mm)，相鄰環(huán)錯口布置，軸向間距為20 mm。

圖1 埋管泄漏位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of leakage location of the buried pipes

為延長埋管使用壽命，防止該類故障再次發(fā)生，確保鍋爐安全運行，筆者對泄漏埋管進(jìn)行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

泄漏埋管宏觀形貌見圖2，其直線長度約1 000 mm。由圖2可見，埋管外壁呈黑色，耐磨環(huán)間充滿塊狀、片狀、顆粒狀燒結(jié)物。埋管泄漏點均在彎曲圓弧面，處于整體結(jié)構(gòu)的下方，即圖1中的黑圈部位。

經(jīng)測量，埋管彎曲部位防磨環(huán)環(huán)向間隙約為10 mm，軸向間距為15～30 mm；直管段防磨環(huán)環(huán)向間隙為2～10 mm，軸向間距為15～20 mm。表明埋管彎曲部位防磨環(huán)環(huán)向間隙和軸向間距均超出設(shè)計圖紙要求。

圖3為埋管泄漏部位內(nèi)外壁宏觀形貌。由圖3(a)外壁形貌可見，防磨環(huán)變形及磨損嚴(yán)重，裂紋介于防磨環(huán)環(huán)向間隙，沿軸向擴(kuò)展，共兩段，長度為15～20 mm。由圖3(b)內(nèi)壁形貌可見，埋管泄漏點附近內(nèi)壁變形明顯，內(nèi)壁表面存在較致密水垢層，厚度為2～3 mm，呈灰白色，部分水垢層已脫落。直管段可見連續(xù)的水垢層，厚度為0.5 mm。

圖2 埋管宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the buried pipe

圖3 埋管泄漏部位宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of leakage location of the buried pipe: (a) the outer wall; (b) the inner wall

1.2 化學(xué)成分分析

從埋管泄漏點附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1,可見埋管的化學(xué)成分符合GB/T 699-1999[1]對20鋼成分的技術(shù)要求。

表1 埋管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the buried pipe (mass fraction) %

1.3 金相分析

分別在埋管上彎管段、直管段、下彎管段(泄漏部位)沿軸向取樣(斷口處為環(huán)向取樣)進(jìn)行金相分析，取樣位置見圖2所示方框區(qū)域。

(1) 上彎管段

根據(jù)GB/T 10561-2005/ISO 4967:1998(E)[2]中的實際檢驗A法和ISO評級圖進(jìn)行非金屬夾雜物含量評定,結(jié)果如下：A0.5,B0,C0,D0.5，表明埋管材料純凈度較好。

圖4為埋管外壁顯微組織形貌，為鐵素體+珠光體，未見異常。由圖4還可見，埋管外壁存在沖刷痕跡，未見表面脫碳及珠光體球化現(xiàn)象。埋管內(nèi)壁較平整，存在少量點蝕坑。

圖4 上彎管段外壁顯微組織形貌Fig.4 Outer wall microstructure morphology of the upper curved section

根據(jù)GB/T 6394-2002[3]中的比較法對鐵素體晶粒度進(jìn)行評級，內(nèi)壁至外壁晶粒較均勻，晶粒度級別為9.5級。

根據(jù)DL/T 674-1999[4]，上彎管段珠光體形態(tài)明顯，碳化物開始分散，球化級別為2級(傾向球化)。

(2) 直管段

圖5為直管段外壁顯微組織形貌，為鐵素體+珠光體，未見異常。由圖5還可見，埋管外壁存在沖刷痕跡，未見表面脫碳及珠光體球化現(xiàn)象。埋管內(nèi)壁較平整，存在少量點蝕坑，亦未見脫碳現(xiàn)象。

內(nèi)壁至外壁晶粒較均勻，鐵素體晶粒度級別為9.5級。直管段珠光體形態(tài)明顯，碳化物開始分散，球化級別為2級(傾向球化)。

圖5 直管段外壁顯微組織形貌Fig.5 Outer wall microstructure morphology of the straight section

圖6 斷口處顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the fracture location

(3) 下彎管段(泄漏部位)

圖6為下彎管段(泄漏部位)斷口環(huán)向截面形貌，可見斷口周邊存在嚴(yán)重減薄現(xiàn)象，厚度約為300 μm。近外壁氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，局部存在氧化孔洞。將內(nèi)、外壁顯微組織放大后觀察可見，外壁存在嚴(yán)重的脫碳、氧化現(xiàn)象，局部鐵素體晶粒異常長大；內(nèi)壁存在輕度球化現(xiàn)象，局部氧化現(xiàn)象嚴(yán)重。

在斷口下方壁厚減薄區(qū)域制備軸向截面試樣進(jìn)行顯微組織觀察，結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 壁厚減薄處顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of the wall thickness thinning area

圖8 圖7中A處顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of the area A in Fig.7

圖9 圖7中B處顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of the area B in Fig.7

圖10 圖7中C處顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of the area C in Fig.7

由圖7可見，該處壁厚已減薄至約2 mm，整體呈半圓弧狀，向外側(cè)凸起，外壁表面呈鋸齒狀，存在較嚴(yán)重沖刷痕跡；外壁存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度約為760 μm，局部晶粒異常長大。

分別對圖7中A，B，C 3個部位的顯微組織放大后進(jìn)行觀察，結(jié)果如下。

A處代表近外壁顯微組織，為鐵素體+滲碳體，滲碳體呈短棒狀、顆粒狀分布于晶內(nèi)、晶界。外壁珠光體形態(tài)已消失，碳化物分布于晶界及鐵素體基體，并逐漸長大，球化級別為5級(完全球化)。鐵素體晶粒度級別為8.5級，局部達(dá)7級。

B處代表過渡區(qū)顯微組織，為鐵素體+滲碳體+珠光體，滲碳體呈短棒狀、顆粒狀分布于晶內(nèi)、晶界。珠光體中的碳化物已明顯分散，并向晶界聚集，珠光體形態(tài)尚保留，球化級別為4級(中度球化)。鐵素體晶粒度級別為8.5級。

C處代表近內(nèi)壁顯微組織，為鐵素體+珠光體，珠光體區(qū)域中碳化物已分散，珠光體形態(tài)尚明顯，球化級別為3級(輕度球化)。鐵素體晶粒度級別為9級。

1.4 硬度測試

分別對上彎管段、直管段和泄漏處由外壁到內(nèi)壁進(jìn)行顯微硬度試驗(HV0.3)，硬度變化趨勢見圖11。其中：直管段硬度較均勻，分布在160～180 HV0.3；上彎管段硬度較均勻，分布在180～200 HV0.3，高于直管段硬度，主要是由加工硬化所致；泄漏點附近硬度變化較大，內(nèi)壁硬度為179 HV0.3，外壁硬度為123 HV0.3，且由內(nèi)壁到外壁硬度呈下降趨勢，與其顯微組織分析結(jié)果相對應(yīng)。

圖11 埋管不同管段硬度變化曲線Fig.11 Hardness changing curves of the buried pipe at different sections

1.5 斷口微觀分析

將埋管泄漏部位裂紋打開，斷口宏觀形貌見圖12。可見斷口表面呈黃褐色銹蝕形貌，暗灰色為撕裂新斷口;泄漏部位壁厚已嚴(yán)重減薄，為2～3 mm，且在防磨環(huán)間的管壁呈現(xiàn)向外凸起狀。通過裂紋及斷口觀察可見，裂紋由外壁起裂并向內(nèi)壁擴(kuò)展,直至貫穿整個壁厚引起泄漏。

圖13(a)為埋管斷口表面掃描電鏡(SEM)形貌，可見斷口表面氧化非常嚴(yán)重。能譜(EDS)分析結(jié)果表明，氧化層中含大量硫、氯等腐蝕性元素，如圖13(b)所示。

圖13 斷口SEM形貌及EDS分析結(jié)果Fig.13 The fracture (a) SEM morphology and (b) EDS analysis results

1.6 水垢X射線衍射分析

在埋管泄漏點附近取適量水垢進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析，水垢呈灰白色。XRD分析結(jié)果見圖14，表明埋管內(nèi)壁水垢主要成分為CaSO4和CaCO3。

圖14 水垢XRD譜Fig.14 The XRD pattern of the limescale

2 分析與討論

埋管的化學(xué)成分符合GB/T 699-1999中對20鋼成分的技術(shù)要求；埋管材料純凈度良好，顯微組織為鐵素體+珠光體，鐵素體晶粒度級別為9.5級，球化級別為2級(傾向球化)，未見異常，表明埋管原材料及彎管制作工藝無異常。

埋管泄漏位置均位于下彎管段彎曲圓弧面，由于結(jié)構(gòu)原因，該部位易于聚集冷卻水中的污垢。經(jīng)與現(xiàn)場管理人員核實，該冷卻水系統(tǒng)中曾混入些許生產(chǎn)物料，但一直未清洗或更換。從而在該部位集聚水垢層厚達(dá)2～3 mm，較其他部位厚4倍以上。經(jīng)X射線衍射分析確定水垢層的主要成分為CaSO4和CaCO3。

資料表明，20鋼在300 ℃時的導(dǎo)熱系數(shù)為48 W·m-1·K-1，而水垢中CaSO4和CaCO3的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.58～2.90 W·m-1·K-1和0.58～6.96 W·m-1·K-1，因此水垢層嚴(yán)重阻礙了埋管中水與爐膛內(nèi)介質(zhì)的熱交換[5]。故在工作過程中，下彎管段(泄漏部位)較其他部位易產(chǎn)生溫度升高現(xiàn)象。

金相分析結(jié)果表明，下彎管段(泄漏部位)外壁出現(xiàn)脫碳、完全球化現(xiàn)象，局部晶粒長大，表明其在工作過程中局部溫度超過相變臨界點溫度Ac1(約750 ℃)。長期在高溫的作用下，珠光體中的層片狀滲碳體不斷分解，變成短棒狀、球狀，分布于鐵素體基體及晶界處，并不斷聚集長大。球化及脫碳嚴(yán)重降低了管壁的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度及耐磨性等性能，硬度檢測結(jié)果顯示下彎管段外壁硬度較上彎管段硬度降低了36%，且相對于該部位內(nèi)壁硬度降低了31%[6-7]。

埋管外壁規(guī)則分布的防磨環(huán)，可減緩爐膛內(nèi)介質(zhì)的沖刷磨損作用，延長埋管的使用壽命。當(dāng)管壁產(chǎn)生球化及脫碳現(xiàn)象時，管壁的屈服強(qiáng)度下降，因此在防磨環(huán)間隙處會出現(xiàn)向外凸起變形現(xiàn)象，同時其外表面硬度及耐磨性急劇下降，在爐膛內(nèi)燃燒介質(zhì)的沖刷作用下，管壁不斷減薄[8]。

埋管內(nèi)外壁介質(zhì)中均存在大量的硫、氯等腐蝕性元素，當(dāng)管內(nèi)發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，硫、氯元素的存在會加大其腐蝕速率，縮短埋管使用壽命[9]。

3 結(jié)論及建議

(1) 該循環(huán)流化床鍋爐埋管下彎管段水垢過厚，嚴(yán)重降低了管壁熱交換效率，導(dǎo)致外壁長期處于超溫狀態(tài)，產(chǎn)生珠光體球化、脫碳現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了管壁的強(qiáng)度及硬度，促使管壁變形、減薄，從而導(dǎo)致其發(fā)生早期泄漏失效。

(2) 埋管防磨環(huán)間隙(環(huán)向、軸向)過大，下彎管段受爐膛內(nèi)介質(zhì)沖刷作用較大，加大了埋管的壁厚減薄速率。

(3) 埋管內(nèi)外壁含有大量硫、氯等腐蝕性元素，會縮短其使用壽命，但在該埋管泄漏失效中，此并非為主要因素。

(4) 建議嚴(yán)格控制埋管冷卻系統(tǒng)中的雜質(zhì)成分，避免大面積結(jié)垢現(xiàn)象出現(xiàn)，并定期對冷卻水進(jìn)行檢驗；加強(qiáng)埋管防磨環(huán)焊接工藝控制，尤其是在彎管段薄弱部位；降低介質(zhì)中腐蝕性元素的含量，降低腐蝕對埋管壽命的影響。

[1] GB/T 699-1999 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼[S].

[2] GB/T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法[S].

[3] GB/T 6394-2002 金屬平均晶粒度測定方法[S].

[4] DL/T 674-1999 火電廠用20號鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] 殷偉俐.電站鍋爐水冷壁管失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2009,45(9):567-569.

[6] 沈美華,祝新偉,潘金平,等.電站鍋爐熱管常見泄漏原因及主要特征[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(8):533-537.

[7] 劉廣興,猶公,張虔,等.鍋爐冷灰斗水冷壁管泄漏原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(2):119-122.

[8] 桂立豐.機(jī)械工程材料測試手冊(物理金相卷)[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1999.

[9] 翟海舟.鍋爐底板裂縫泄漏失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(4):255-259.

Analysis on Leakage Reasons of Buried Pipes in a Circulating Fluidized Bed Boiler

QIAN Kun

(Shanghai Baoye Engineering Technology Corp., Ltd., Shanghai 200941, China)

Means such as macro examination, chemical composition analysis, metallographic analysis, hardness test, fracture analysis and XRD analysis were used to analyze the leakage reasons of the buried pipes in a circulating fluidized bed boiler after use of 1.1×104h. The results show that the limescale layer at lower curved section was very thick, which caused long-time overheating of outer wall of the buried pipes. So pearlite spheroidization and decarburization phenomenon occurred, and the strength and hardness of the pipe wall seriously decreased. At the same time, the medium in the hearth had larger flushing action to outer wall of the buried pipes at the lower curved section, which accelerated the wall thickness thinning rate here. The above reasons led to the early leakage failure of the buried pipes at the lower curved section.

circulating fluidized bed; buried pipe; limescale; pearlite spheroidization; decarburization; flushing; leakage

10.11973/lhjy-wl201704010

2016-05-20

錢 錕(1986-)，男，工程師，從事金屬構(gòu)件失效分析工作，ahqiankun@163.com。

TG146.1; TG454

B

1001-4012(2017)04-0268-05

質(zhì)量控制與失敗分析