余熱鍋爐過熱器U形彎管斷裂原因分析

孫翠華，盛全中

(江蘇特種設備檢驗研究院宿遷分院，江蘇宿遷 223800)

鍋爐是企業(yè)動力的心臟，確保鍋爐零事故率是企業(yè)安全生產和提高經濟效益的基石。余熱鍋爐過熱器通常放在高溫廢氣入口處，啟停次數(shù)多時，過熱器U形彎管因頻繁超溫材質發(fā)生變化，導致其強度下降，運行中會發(fā)生變形泄漏和爆管現(xiàn)象，被迫停車處理，進而影響整個系統(tǒng)的正常運行[1-2]。因此，對鍋爐過熱器彎管斷裂原因進行分析，可以采取有針對性的預防措施，從而達到改善運行水平，減少事故非停的目的[3]。

1 事故經過

江蘇禾友化工集團合成氨裝置以無煙煤為原料，采用固定層間歇式氣化工藝。2009年，為了進一步節(jié)能降耗，投運1臺25 t/h余熱鍋爐，該鍋爐以造氣吹風氣、提氫后的合成放空氣、精細化工提CO后的放空氣為燃料，設計壓力為2.5 MPa，設計溫度為300 ℃，蒸汽過熱器設置在鍋爐水冷段與鍋爐對流管束中間，采用面式減溫裝置來調整蒸汽溫度。2014年10月，從某專業(yè)生產鍋爐輔機廠訂制了1臺蒸汽過熱器，2014年12月更換投運，至2015年3月初，蒸汽量逐漸減少，仔細檢查發(fā)現(xiàn)過熱器段有明顯泄漏的響聲，經降溫后檢查，發(fā)現(xiàn)有10根管子開裂(總共29組管束)。另外，江蘇禾友集團供熱公司1臺60 t/h粉煤鍋爐設計壓力為1.6 MPa，2016年3月試運行后投運，2016年5月，同樣發(fā)生過熱器管開裂事故。

2 初步原因分析

在發(fā)現(xiàn)余熱鍋爐過熱器管泄漏未停爐前，組織相關技術人員對此事進行預先分析，查找可能的原因，結合前期煤氣爐及余熱鍋爐運行情況初步分析的可能原因有：①煤氣爐重風現(xiàn)象出現(xiàn)，導致吹風氣余熱鍋爐系統(tǒng)負荷忽高忽低，蒸汽壓力溫度波動大，使過熱器管內的氧化皮在溫度、流速反復波動下脫落，長期積聚至管道堵塞；②入爐水質差，短時生產波動或有滿水現(xiàn)象，爐水鹽分雜質進入過熱器管，或滿水使管子爆裂；③過熱器管子采用12Cr1MoVG材質，因生產問題鍋爐曾降壓至1.0 MPa使用，這樣過熱器管內蒸汽流速比設計時低，同時由于過熱器管子彎曲半徑較小，增大了管內阻力，當蒸汽流速減慢時，氧化鐵皮、結晶鹽類等雜質都沉積在過熱器管底部彎頭內，部分彎頭沉積到一定量時，過熱器管內流通的蒸汽量逐步減少甚至不通，而管外800 ℃高溫煙氣導致管子過熱發(fā)生蠕變而脫落，最終爆管；④可能是制造時材質有代用或制造焊接質量問題。

待停爐降溫后，入爐檢查發(fā)現(xiàn)在過熱器前后下部彎頭處有10余根管子斷裂，同時切割幾根有代表性的斷裂帶彎頭管和未開裂的彎管、直管進行分析檢驗。

3 理化檢驗

3.1 斷管位置

余熱鍋爐過熱器管規(guī)格Ф 38 mm×3.5 mm，材質為12Cr1MoVG。開裂位置在過熱器彎管與直管過渡段，全部在下部彎頭處，且均在彎管內側，同時彎管上有裂紋。

3.2 斷口宏觀檢查及測量

通過對U形彎管斷口附近管道的宏觀檢查，管子沒有明顯減薄，管子在轉彎處內外壁厚度的不同，緣于管子的加工；直管段壁厚仍保持均勻，內外部也沒有腐蝕、沖刷減薄現(xiàn)象。管子內部也沒有發(fā)現(xiàn)積鹽之類的沉積物，管子外部也沒有嚴重積灰現(xiàn)象；除了下部彎頭過渡段開裂外，過熱器管子其他部位沒有明顯的裂紋。

3.3 取樣分析

對U形彎管進行取樣分析，檢驗結果與GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》的標準進行對照，管子的金相組織正常，但取樣化學元素成分硅和硫含量超標[4]。取樣元素成分分析見表1。

表1 取樣元素成分分析(質量分數(shù)) %

3.4 斷口電鏡檢查

對U形彎管斷口進行取樣電鏡分析(圖1和圖2)：①宏觀形貌上，過熱鋼呈石狀，顏色淺灰，無金屬光澤，石狀顆粒愈多愈大，過熱愈嚴重；②微觀形貌上，為典型的延性沿晶斷口。

圖1 第1排彎管斷口取樣電鏡分析示意

圖2 第2排彎管斷口取樣電鏡分析示意

4 斷裂原因分析

由中國煤炭科學研究院、江蘇特種設備檢驗研究院宿遷分院、專業(yè)鍋爐制造廠、江蘇禾友化工集團技術人員等組成專家組，對現(xiàn)場進行查勘、測量、分析，最后結論是：此管是在彎制過程中應力集中(從管子的外觀看，在管子的起彎側沒有，均是在管子的收彎處)，且沒有經過熱處理，應力沒有消除。取樣分析結果顯示為硅、硫含量超標，在高溫、負荷有波動的工況下運行時，組織中出現(xiàn)微裂紋，并逐漸擴大，進而形成裂紋，最終導致應力脆斷。

5 預防措施

(1) 選擇材料時，應嚴格把控生產廠家的質量，并提出具體的質量要求，要求過熱器管應是回火加正火處理后的管子，否則在冷彎中易出現(xiàn)隱性裂紋，致使在使用過程中出現(xiàn)擴大而斷裂。

(2) 嚴格控制好制造過程中的彎制速度，否則彎管會出現(xiàn)應力集中，或有隱性裂紋存在。

(3) 彎管在彎制過程中，嚴格檢測彎曲段，特別是過渡段，應進行消除應力退火熱處理，以保證管子的使用壽命。

(4) 使用中盡量避免溫度、流量波動范圍大以及負荷不穩(wěn)定。

(5) 在運行周期內，加強對關鍵部位(如彎頭及過渡段)的檢驗監(jiān)督，及時發(fā)現(xiàn)隱患，以防止管子爆裂事故的發(fā)生。