一起分汽缸二次泄漏事故的原因分析

歐陽小平 楊 旭 吳海泓

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院惠州檢測院 惠州 516003）

2017年5月28日下午，惠州某熱力公司一臺分汽缸在操作人員例行的巡回檢查中，發(fā)現(xiàn)主供汽接管的補強圈邊緣有蒸汽泄漏，進一步檢查發(fā)現(xiàn)泄漏處為穿透性裂紋，隨即報告給公司負責(zé)人，在檢驗機構(gòu)人員的敦促下停爐，避免了一起可能發(fā)生的分汽缸爆炸事故。

1 分汽缸基本數(shù)據(jù)及現(xiàn)場檢查情況

該分汽缸系2017年5月3日新裝投用，使用僅25天，分汽缸結(jié)構(gòu)形式見圖1，技術(shù)參數(shù)見表1。將分汽缸外保溫全部拆除后，進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)其外表面有多處裂紋，均已穿透并產(chǎn)生了泄漏（裂紋形態(tài)見圖2、圖3），外觀未見腐蝕、塑性變形等缺陷。裂紋分布于接管c右側(cè)區(qū)域，以接管c附近和右側(cè)封頭區(qū)域尤為集中。圖2裂紋發(fā)生位置表明，裂紋產(chǎn)生位置與焊縫沒有必然聯(lián)系。

圖1 分汽缸結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 外表面裂紋

圖3 內(nèi)表面裂紋

2 磁粉檢測

按照NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測第4部分：磁粉檢測》，采用磁軛法對分汽缸外表面對接焊縫、接管角焊縫及疑似裂紋部位進行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)線性缺陷15處，磁痕尺寸22～290mm，裂紋集中在分汽缸的中、右側(cè)上部區(qū)域，裂紋沿縱向或周向分布，以周向分布為主。

3 理化分析

3.1 材料分析及硬度檢測

依據(jù)GB/T 17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第1部分 試驗方法》進行布氏硬度檢測，檢測部位為分汽缸銘牌側(cè)筒體中部偏左側(cè)區(qū)域（位置見圖1），檢測結(jié)果見表2，結(jié)果表明材質(zhì)硬度正常。對筒體材料進行了復(fù)驗，結(jié)果見表3，結(jié)果與出廠質(zhì)量證明書基本一致并滿足GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的技術(shù)要求。

表1 分汽缸技術(shù)參數(shù)

表2 硬度檢測結(jié)果表

表3 筒體材料化學(xué)成分復(fù)驗結(jié)果對比表（Wt%）

3.2 金相組織分析

在分汽缸右側(cè)丁字焊縫及筒體中部含裂縫處（如圖1所示）切割取樣，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》和DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》進行金相顯微組織檢測，金相組織檢測結(jié)果見圖4～圖8，母材基體組織為鐵素體+珠光體，焊縫基體組織鐵素體+珠光體+少量魏氏體，熱影響區(qū)基體組織是鐵素體+珠光體+魏氏體、鐵素體呈網(wǎng)狀分布；晶粒度為7級，大小正常。裂紋處金相分析結(jié)果顯示：裂紋為樹枝狀，微觀表現(xiàn)為沿晶分布特征。

圖4 母材金相照片

圖5 焊縫金相照片

圖6 熱影響區(qū)金相照片

圖7 表面裂紋形態(tài)

圖8 2-2＃表面裂紋形態(tài)

3.3 斷口形貌顯微鏡檢查

將割取的丁字焊縫處試樣掰開，裂紋位置的斷口形貌見圖9，上部為外壁，下部則為內(nèi)壁。從圖9中可知，裂紋源于內(nèi)表面，斷口有明顯放射狀條紋，由內(nèi)壁向外壁發(fā)散，同時可見多條淺狀的疲勞輝紋[1]。

圖9 裂紋斷口宏觀形貌 4×

3.4 斷口分析

對斷口進行清洗、干燥后，放置于掃描電子顯微鏡下觀察，圖10～圖12為斷口表面形貌。從圖中可見，裂紋從晶粒粗大處（見圖10）開裂，有明顯的穿晶特征，斷口中部母材區(qū)晶粒較細（見圖11），存在小韌窩和細小的微裂紋，最后斷裂區(qū)（見圖12）分界線明顯，未見韌窩。綜合分析，斷口中間區(qū)域伴隨塑性變形成韌性斷裂，總體表現(xiàn)為脆性斷裂。

圖10 裂紋源區(qū)微觀形貌

圖11 斷口母材微觀形貌

圖12 最后斷裂區(qū)微觀形貌

4 原因分析

4.1 使用情況調(diào)查

該分汽缸發(fā)生泄漏事故屬二次事故，原位置安裝的舊分汽缸與現(xiàn)分汽缸的結(jié)構(gòu)形式及技術(shù)參數(shù)完全一致，因同樣的原因被報廢拆除。舊分汽缸2010年10月安裝投用，2016年底首次發(fā)現(xiàn)泄漏，使用單位隱瞞不報，并采取貼補方式修補，強行使用至新分汽缸更換。分汽缸的主要功能是將蒸汽匯集后通過主汽管向外輸送至用戶（見圖1接管c），蒸汽來源有2處，一是1臺UG-35/3.82-M34型鍋爐產(chǎn)過熱蒸汽做功后的泛汽，蒸汽溫度195℃，工作壓力0.9MPa，由接管f導(dǎo)入；二是2臺SZL20-1.25-AⅡ鍋爐（公司編號3＃、4＃爐）產(chǎn)的部分飽和蒸汽，工作壓力1.0MPa，由接管g引入；接管d為除氧器用汽接口。3＃、4＃爐與分汽缸連接管路見圖13。

圖13 3＃、4＃鍋爐與分汽缸連接管道圖

據(jù)使用單位反映，從2016年下半年開始，因用汽負荷變化，3＃、4＃爐的供汽模式從2臺同時啟停改為晚間一停一用，蒸汽通過旁路管道向鄰近用戶供汽，余汽接入分汽缸。

現(xiàn)場核查時發(fā)現(xiàn)，3＃、4＃爐與分汽缸連接管路（見圖13）于2008年安裝，使用時間久，現(xiàn)場未見相關(guān)設(shè)計安裝資料。4#爐與主蒸汽管道之間管段沒有安裝疏水裝置，設(shè)計不合理。與3#爐相連接的管道裝有疏水裝置，但使用單位管理不到位，巡檢人員沒有及時發(fā)現(xiàn)疏水裝置堵塞，疏水裝置不能正常疏水。

4.2 事故原因綜合分析

新舊分汽缸由不同制造單位制造生產(chǎn)，根據(jù)硬度及金相檢測結(jié)果，結(jié)合分汽缸的損壞情況可以推斷事故與制造質(zhì)量無關(guān)。依照裂紋處斷口形貌和金相檢測情況分析可確定裂紋屬疲勞裂紋。導(dǎo)致分汽缸產(chǎn)生疲勞的原因應(yīng)是受到冷熱溫度的變化，即分汽缸在熱的狀態(tài)下遇到較低溫度的水。分汽缸接管情況可知，能夠提供水的接口共有2個，通過現(xiàn)場試驗檢查，排除了因鍋爐主給水閥門泄漏從接管d導(dǎo)入分汽缸的可能性；因此，低溫水只能是從接管b進入的。3＃、4＃爐與分汽缸的連接管道在運行期間始終處于連通狀態(tài)，從圖中可以看到，連接4#爐與主蒸汽管道之間為一段下沉式管道，該管段沒有安裝疏水裝置，因而4#爐所產(chǎn)蒸汽的帶水全部流入此管段；與3#爐相連接的管道雖然裝有疏水器，但現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)已完全堵塞，根據(jù)管道連接情況不難看出，3#爐所產(chǎn)蒸汽的帶水也將流入上述下沉管段。當(dāng)夜間僅開一臺鍋爐時，輸入分汽缸的蒸汽量約為3t/h，在此工況下，若僅由與3#爐相連接的管道輸送，根據(jù)蒸汽管道沿程壓力損失公式[2]可計算出管道的壓力降為285Pa（即28.5mmH2O水柱），壓力損失非常小。在實際運行中，當(dāng)下沉管道內(nèi)積存有部分水將蒸汽阻隔時，蒸汽會因阻力原因不再流經(jīng)此管段，導(dǎo)致該管段積水不斷增加，并在夜間較長時間內(nèi)緩慢冷卻，使積水溫度低于80℃（現(xiàn)場模擬測量）?，F(xiàn)場對單臺鍋爐的帶水量進行了測量，帶水量為150L/h，按每晚12h計，流入下沉管段的總水量約為1.8m3，與其容積相當(dāng)。

當(dāng)白天2臺鍋爐同時使用時，因蒸汽流量大幅增加，使管道阻力迅速上升，在短時間內(nèi)將下沉管段內(nèi)的積水全部推入分汽缸，在分汽缸內(nèi)過熱蒸汽的強力擾動下，積水被沖撞到分汽缸的內(nèi)壁，使壁溫迅速下降（內(nèi)外壁溫差可達115℃），形成溫差應(yīng)力；在每天一次溫差應(yīng)力的反復(fù)作用下，分汽缸內(nèi)壁產(chǎn)生疲勞裂紋并最終擴展成穿透性裂紋，導(dǎo)致泄漏事故。據(jù)操作人員反映自改變供汽模式后，當(dāng)3＃、4＃爐同時供汽時，分汽缸內(nèi)有水疏出，從而印證了上述分析結(jié)果。

改進措施：在3＃、4＃鍋爐主汽閥出口端的蒸汽管路上加裝分汽缸和疏水器，同時在輸汽管道的最低處設(shè)置疏水裝置，確保飽和蒸汽在并入集汽分汽缸時不會大量帶水。

5 結(jié)束語

根據(jù)事故原因的綜合分析，這是一起因蒸汽管道設(shè)計安裝不合理，運行操作管理不到位而引起的分汽缸開裂泄漏事故。使用單位在事故原因不明的情況下，強行對裂紋進行貼補，險些釀成爆炸事故，值得警醒和深思。

1）強化法律法規(guī)意識和安全意識。在特種設(shè)備運行過程中，使用單位發(fā)現(xiàn)事故隱患，應(yīng)立即進行處理，情況緊急時，須停止使用；經(jīng)過檢驗檢測或安全評定，查明缺陷情況和原因，需要重大修理的，一定要按照法規(guī)的要求進行，違法修理將受到處罰。

2）壓力管道的設(shè)計安裝，一定要嚴格執(zhí)行法規(guī)、標(biāo)準和技術(shù)規(guī)范，不能因設(shè)備增加或工藝變化而隨意降低技術(shù)要求，產(chǎn)生不安全因素。對蒸汽管道而言，在最低位設(shè)置疏水裝置是保證管道和設(shè)備安全的重要技術(shù)措施，應(yīng)當(dāng)給予充分的重視。

3）現(xiàn)行壓力管道國家標(biāo)準TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》、GB/T 20801—2006《壓力管道》中，未對蒸汽管道疏水裝置的設(shè)置、安裝、檢驗、使用管理提出相應(yīng)的要求，容易忽略疏水裝置，造成管道積水。因此，在國家標(biāo)準TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》、GB/T 20801—2006《壓力管道》中，應(yīng)要求蒸汽管道安裝疏水裝置，并定期檢查，以保證其功能正常。

4）壓力容器國家標(biāo)準中（ TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》）未對飽和蒸汽和過熱蒸汽混合使用的設(shè)備（分汽缸）提出相應(yīng)的技術(shù)要求，容易造成容器的疲勞失效。因此，在壓力容器的相關(guān)國家標(biāo)準中（TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》），應(yīng)對此類設(shè)備提出具體的技術(shù)要求：1）在設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)考慮溫差應(yīng)力的影響，做到合理混合蒸汽；2）飽和蒸汽不得帶水進入容器。

參考文獻

[1]沈松泉，黃振仁，顧竟成，等．壓力管道安全技術(shù)[M]．南京：東南大學(xué)出版社，2000：349．

[2]姜永順．蒸汽供熱管道沿程壓力損失簡易計算法[J]．暖通空調(diào)，2000，30（05)：77-79．