一起生物質(zhì)鍋爐事故分析

楊國(guó)祥，馬紹光，趙艷雷

（云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，云南 昆明 650228）

2018-08，在對(duì)昆明市某單位使用的一臺(tái)SZL6-1.6-T型生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行停爐內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)鍋爐上鍋筒前筒節(jié)底部有一處鼓包缺陷，經(jīng)進(jìn)一步檢驗(yàn)，鼓包處的材質(zhì)已發(fā)生變化，需要更換，事故造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。為了防微杜漸，防止此類(lèi)事故的發(fā)生，本文對(duì)事故進(jìn)行分析。

1 鍋爐概況

該單位的SZL6-1.6-T型鍋爐于2015-08安裝監(jiān)檢后投入使用；該爐系某廠2015-01制造，為雙鍋筒縱置式生物質(zhì)鏈條鍋爐，截至發(fā)現(xiàn)鍋爐筒體鼓包缺陷時(shí)已斷續(xù)使用了3年，約2.6×104h（每日平均使用8 h）；上鍋筒材質(zhì)為Q245R，上鍋筒規(guī)格為Φ900 mm×12 mm， 使用的水源為地下水，渾濁無(wú)沉淀池，水處理設(shè)備時(shí)好時(shí)壞。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

2018-08進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)鍋爐上鍋筒前筒節(jié)底部有一處鼓包缺陷，檢驗(yàn)情況如下：①鼓包位于上鍋筒前筒節(jié)中底部，爐膛上方，最大變形量30 mm，且上鍋筒前筒節(jié)爐膛段有脹粗現(xiàn)象。②后部煙道內(nèi)，上鍋筒與下鍋筒對(duì)流管束與上鍋筒焊接連接管口大部分變形；左右側(cè)水冷壁管大部分變形，變形量為10～60 mm。③上鍋筒進(jìn)水管出口附近及前右側(cè)下降管內(nèi)水垢厚度約10 mm，上鍋筒其他部位水垢厚度約2 mm，并有垢渣堆積，水冷壁管內(nèi)水垢厚度1～3 mm，對(duì)流管內(nèi)水垢厚0.5～1 mm，下鍋筒及左右側(cè)集箱內(nèi)有脫落水垢堆積。④前水冷壁管有3根，右側(cè)水冷壁管有2根，共5根，水冷壁管曾經(jīng)被更換過(guò)。

3 金相檢驗(yàn)和硬度檢測(cè)

經(jīng)金相檢驗(yàn)，鼓包上材質(zhì)金相組織滲碳體完全球化，材質(zhì)出現(xiàn)四級(jí)石墨化，鼓包材質(zhì)金相組織已從正常的鐵素體加珠光體轉(zhuǎn)變成鐵素體加球狀滲碳體，材質(zhì)強(qiáng)度顯著降低。

經(jīng)硬度檢測(cè)，測(cè)得鼓包材質(zhì)硬度平均值為HB100。對(duì)于低碳鋼，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得σb≈0.36 HB≈0.36×100≈36 kgf/m2≈352 N/m2（MPa）。

標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐和壓力容器用鋼板》（GB 713—2014）規(guī)定材質(zhì)Q245R的σb下限值為400 N/m2（MPa）。材質(zhì)強(qiáng)度下降的百分比為△σb=（400-352）/400=12%。

材質(zhì)的強(qiáng)度下降了12%，材質(zhì)強(qiáng)度由于超溫，其金相組織發(fā)生變化而降低。

4 事故分析

4.1 鼓包處壁溫估算

由金相檢驗(yàn)的結(jié)果得知，鼓包處材質(zhì)已完全球化，根據(jù)有關(guān)資料可采用擴(kuò)散指數(shù)方程進(jìn)行筒體壁溫的估算：

式（1）中：τ為達(dá)到完全球化程度所需時(shí)間，h；A為與化學(xué)成分、組織狀態(tài)有關(guān)的常數(shù)；b為對(duì)珠光體鋼，為常數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K。

當(dāng)溫度不超過(guò)Ac1（723℃）時(shí)，對(duì)同種鋼材、不同溫度下達(dá)到同一球化程度的時(shí)間可由式（2）表示：

對(duì)同種鋼材，A和b是相同的，則式（2）可變?yōu)椋?/p>

根據(jù)相關(guān)資料，碳鋼在454℃至完全球化需5×105h，對(duì)于碳素鋼，b=33 000；如果取本失效分析的時(shí)間τ2=2.6×104h，又知τ1=5×105h，T1=453.85℃，代入式（3）得：

理設(shè)備時(shí)好時(shí)壞，金屬組織不會(huì)馬上球化，本分析中金相組織完全球化的累計(jì)時(shí)間就不到2.6×104h。此外，鍋爐運(yùn)行后期，水垢和脫落后的垢渣堆積于筒體底部，又未及時(shí)清理，鍋筒壁傳熱變差，筒體壁得不到及時(shí)冷卻，因此，筒體壁溫可能大于504.57℃，即鍋筒鼓包處的壁溫超過(guò)了Q245R鋼規(guī)定使用的最高允許使用溫度430℃。

4.2 材質(zhì)球化

低碳鋼及大部分低碳合金鋼都是珠光體鋼，這種鋼的正常組織由珠光體晶粒及鐵素體晶粒組成，珠光體晶粒中的鐵素體及滲碳體呈片狀；鐵素體是碳和其他元素均勻地溶解在ɑ-Fe（ɑ鐵）中的固溶體，鐵素體的強(qiáng)度低，但塑性高；滲碳體是鐵與碳按一定比例關(guān)系所組成的化合物，鐵與碳的原子數(shù)比為3∶1，它的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與鐵的結(jié)構(gòu)完全不同，滲碳體的硬度很高、很脆，塑性極低；片狀珠光體的組織不穩(wěn)定，按照熱力學(xué)第二定律，較大能量的狀態(tài)有自行向能量較小的狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。在體積相同的條件下，片的表面積比球大，球的表面積最小，表面能也最小，幾個(gè)小球體的表面積比同樣體積的球體的表面積大，幾個(gè)小球體的表面能也較大。因此，片狀珠光體中的滲碳體（Fe3C）有自行轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畈⒕奂纱笄驁F(tuán)的趨勢(shì)。珠光體鋼在長(zhǎng)期高溫運(yùn)行下存在這種轉(zhuǎn)變的可能，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“珠光體的球化”；珠光體的球化使材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度下降，并明顯加快蠕變速度和降低持久強(qiáng)度，例如，珠光體的球化可使抗拉強(qiáng)度下降10%～15%，蠕變極限降低約25%，如果滲碳體聚集成大球團(tuán)，甚至可使蠕變限下降，本次事故材質(zhì)的強(qiáng)度下降了12%。

由壁溫估算得知，上鍋筒底部處于高溫狀態(tài)下，材料內(nèi)的片狀珠光體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钪楣怏w組織，這種變化加快了蠕變速度并降低持久強(qiáng)度，導(dǎo)致鍋筒在正常工作壓力下產(chǎn)生塑性變形造成鼓包。

4.3 材質(zhì)石墨化

綜上所述，滲碳體是一種不很穩(wěn)定的碳化物，在高溫下經(jīng)一定時(shí)間會(huì)分解成自由碳（石墨）：Fe3C→3Fe+C（石墨），這種現(xiàn)象稱(chēng)為石墨化；碳鋼只在450℃以上出現(xiàn)石墨化；石墨是以點(diǎn)狀的形式出現(xiàn)在金屬材料內(nèi)部，石墨的強(qiáng)度極小，像空穴分布在鐵素體當(dāng)中，當(dāng)空穴周?chē)纬蓮?fù)雜的受力狀態(tài)并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)，材料就會(huì)變脆，石墨化會(huì)使常溫和高溫下材料的強(qiáng)度及塑性下降；人們認(rèn)為石墨化都發(fā)生在珠光體完成球化之后，但碳鋼在475～500℃條件下，組織球化初期即有可能析出石墨。

由壁溫估算得知，上鍋筒底部已處于高溫狀態(tài)下，組織也發(fā)生球化，這就是材質(zhì)出現(xiàn)石墨化的原因，同時(shí)石墨化說(shuō)明了材料的強(qiáng)度及塑性下降，這也是導(dǎo)致鍋筒在正常工作壓力下產(chǎn)生塑性變形造成鼓包的原因之一。

4.4 結(jié)論

根據(jù)上述計(jì)算和分析，由于上鍋筒前筒節(jié)中底部高溫過(guò)熱，過(guò)熱部位的材質(zhì)金相組織完全球化，材質(zhì)出現(xiàn)四級(jí)石墨化，材質(zhì)強(qiáng)度降低很多，以致于鍋筒在正常工作壓力下塑性變形造成鼓包。

5 事故原因

5.1 水質(zhì)不良

鍋爐使用初期，水質(zhì)是較好的，但使用一段時(shí)間后，鍋內(nèi)附著大量水垢，鍋爐使用1年后首次內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，曾發(fā)現(xiàn)鍋爐給水管被水垢堵塞2/3，鍋爐內(nèi)水垢厚度達(dá)3～4 mm，局部10 mm，上下鍋筒底部和左右側(cè)集箱內(nèi)有大量垢渣堆積；經(jīng)過(guò)煮爐，大量水垢脫落沉積于鍋底和受熱面管內(nèi)未清除，排污管被堵塞，不能及時(shí)有效地排污，鍋爐內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)一步惡化。這樣的后果首先是發(fā)生了水冷壁被水垢、垢渣堵塞爆管，檢驗(yàn)時(shí)也發(fā)現(xiàn)了水冷壁管曾有5根被換管修理；大量垢渣沉積，鍋筒底部又直接處于爐膛高溫輻射區(qū)，熱負(fù)荷較高，尤其爐膛前中部更高，致使鍋筒前筒節(jié)底部材質(zhì)過(guò)熱，材質(zhì)強(qiáng)度下降，在內(nèi)壓力作用下產(chǎn)生了鼓包。

5.2 管理不善

鍋爐使用后，水處理設(shè)備時(shí)好時(shí)壞，沒(méi)有徹底修復(fù)；使用的地下水渾濁，又未聽(tīng)取檢驗(yàn)人員的建議，沒(méi)有增設(shè)沉淀池，這是導(dǎo)致水處理設(shè)備短期就失效的原因。

5.3 鍋爐低水位聯(lián)鎖保護(hù)裝置失靈

后部煙道內(nèi)，上鍋筒與下鍋筒對(duì)流管束與上鍋筒焊接連接管口和左右側(cè)水冷壁管大部分變形，上鍋筒前筒節(jié)爐膛段有脹粗現(xiàn)象，這說(shuō)明鍋爐曾發(fā)生過(guò)缺水現(xiàn)象；現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)鍋爐低水位聯(lián)鎖保護(hù)裝置失靈，這也是導(dǎo)致事故的原因之一。

6 處理意見(jiàn)

根據(jù)對(duì)鍋爐現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和金相檢驗(yàn)的結(jié)果，鍋筒材質(zhì)已完全球化和石墨化四級(jí)，上鍋筒與下鍋筒對(duì)流管束與上鍋筒焊接連接管口及左右側(cè)水冷壁管大部分變形，上鍋筒前筒節(jié)爐膛段有脹粗現(xiàn)象，鍋爐已無(wú)修理價(jià)值，建議更換。