工業(yè)鍋爐鼓包變形事故的分析

李暉榕，林東文

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

漳州地區(qū)食品罐頭業(yè)、食用菌菇業(yè)、建筑模板業(yè)等所用鍋爐均以小型DZG（單鍋筒縱置式）鍋爐為主，且保有數(shù)量較多，在生產運行過程中，往往會出現(xiàn)鍋爐鼓包變形事故。文中采用兩臺型號、材質、規(guī)格相同的鍋爐，針對其鍋筒底部鼓包變形，分析研究鍋筒材料在外在因素作用下，通過內在因素的顯微變化，最終導致失穩(wěn)變形的原因。

1 檢驗過程與結果

1.1 現(xiàn)場宏觀檢查與分析

Ⅰ號鍋爐是在停爐檢修后正常燃燒一天后，發(fā)現(xiàn)鍋筒底部出現(xiàn)明顯鼓包變形，立即停爐檢驗，檢驗確認該鼓包變形最大高度為63mm，面積350×250mm。Ⅱ號鍋爐由于鼓包變形量較小，未能及時發(fā)現(xiàn)，長時間保持正常燃燒狀態(tài)，在正常內部檢驗過程中發(fā)現(xiàn)鍋筒底部鼓包變形，變形最大高度18mm，面積330mm×230mm，如圖1所示。經表面磁粉檢測，確認兩臺鍋爐鍋筒變形部位均未發(fā)現(xiàn)有表面裂紋。現(xiàn)場進一步檢驗發(fā)現(xiàn)，兩臺鍋爐鼓包變形部位的內表面均存在有較厚的水垢、泥沙或泥垢沉積，厚度為2.0mm～3.0mm，Ⅱ號鍋爐鍋筒底部外表面鼓包和內表面沉積見圖2。因此，經外觀檢查判斷為水垢、泥垢阻礙了熱傳遞，導致鍋筒材料的過熱劣化變形。

圖1 兩臺鍋爐鍋筒底部鼓包變形高度示意圖

圖2 鍋筒底部外表面鼓包變形及內表面泥垢沉積

1.2 化學成分分析

分別對兩臺鍋爐鍋筒底部正常區(qū)域的基體（Q345R）上進行主要元素分析，分析結果見表1。

結果表明：以上兩臺鍋爐的鍋筒用材符合GB713-2008 的標準要求，選用材料不存在元素含量或偏析問題。

表1 光譜分析化學成分結果（質量分數(shù)，%）

1.3 金相檢驗分析

金相檢驗的取樣位置如圖1所示。從圖3可知，兩臺鍋爐鍋筒底部正常區(qū)域的金相組織為：鐵素體+珠光體，屬于正常組織。選取變形高度10mm（D點）位置進行金相檢驗，結果為正常：鐵素體+珠光體，說明組織未發(fā)生明顯變化（見圖4）。當選取變形高度分別為18mm（C點）、43mm（B點）和63mm（A點）位置進行金相檢驗，結果發(fā)現(xiàn)在變形高度大于等于18mm時，珠光體中的碳化物已分散且向晶界聚集，且已發(fā)生球化，金相組織為：鐵素體+球化體及少量珠光體，A點、B點位置的球化級別為5級；其中C點位置球化程度最為嚴重，組織為鐵素體+球化體，且鐵素體晶粒長大，球化級別為6級（見圖5）。

圖3 E點、F點位置金相組織（500×）

圖4 D點位置金相組織（500×）

圖5 A、B、C點位置金相組織（500×）

1.4 硬度分析

分別對圖1中所選取的位置點進行布氏硬度檢測，檢測結果如圖6所示。從圖6可知，兩臺鍋爐鍋筒底部正常區(qū)域的硬度值正常；變形高度為10mm（D點）時，與正常區(qū)域相比，硬度值仍未發(fā)生明顯變化；當變形高度繼續(xù)增大時，布氏硬度發(fā)生明顯下降，其中C點位置的硬度下降變化最為明顯，僅有110HB，這與上述的金相檢驗結果相符。

圖6 布氏硬度測量值對比圖

2 原因分析與結論

2.1 外部因素

從外部因素來看，通過現(xiàn)場檢驗和咨詢發(fā)現(xiàn)，兩臺鍋爐給水均采用地下水水質，未經過濾和軟化水處理，給水中帶有一定的泥沙或泥垢，同時日常運行中疏于管理，未對鍋爐進行有效的定期排污。因此，在鍋爐運行過程中，鍋內水不斷蒸發(fā)濃縮，水中鹽類過飽和之后，析出沉淀形成水垢和大量沉積物覆蓋于底部受熱面。水垢、泥垢的導熱性極差，熱阻是鍋爐用鋼的40-100倍左右，高熱阻使得鍋筒底部直接受火焰加熱部分的金屬不能及時、有效的冷卻，造成壁溫過高，超過允許使用溫度（430℃）。

2.2 內部因素

由于外部因素的影響，導致鍋筒底部金屬一直處于受熱不均勻狀態(tài)，變形部位壁溫過熱，具有較大的熱應力[1]，不可避免的會導致材料的劣化，具體分析如下：

（1）從鍋筒底部正常區(qū)域的化學元素成分分析結果判斷，各元素含量和GB713中的Q345R鋼的化學成分相符。且從該部位的金相檢驗結果可知，材料金相組織為：鐵素體+片狀珠光體，也完全符合材料標準要求。因此，可以排除鍋筒材料的材質問題。

（2）由金相檢驗結果分析，鼓包變形部位的珠光體中的碳化物已分散且向晶界聚集，且已發(fā)生球化，最嚴重處球化級別為6級，判定變形部位發(fā)生了明顯的材料過熱劣化現(xiàn)象。

（3）從硬度測量結果可知，鼓包變形部位的硬度值相比于正常區(qū)域明顯下降，認為相應的材料沖擊韌度也會下降，這與金相檢驗結果相符，說明材料組織的劣化對其性能具有較大影響。

（4）對于Ⅱ鍋爐較低變形高度18mm（C點）的位置，其金相檢驗和硬度測量結果均低于變形高度較大的Ⅰ號鍋爐，分析認為，這是由于Ⅱ鍋爐更長時間處于 AC3 左右的高溫，隨著時間的延長，組織變化更為徹底，性能下降更為嚴重。

綜合上述分析，兩臺鍋爐在高溫狀態(tài)下，由于冷卻不足，材料金相組織會發(fā)生變化，強度下降，無法滿足使用強度，這時，即使工作壓力不超過額定壓力，金屬晶體也會發(fā)生塑性流動直至變形。

3 整改措施

（1）按照《鍋爐定期檢驗規(guī)則》的要求，對上述兩臺鍋爐挖補修理，并徹底清除鍋筒底部的泥沙或泥垢[2]。

（2）針對鍋爐水側進行物理或化學清洗，徹底清除水垢。

（3）完善鍋爐水處理系統(tǒng)。通過加裝鍋外鈉離子水處理設備，對鍋爐給水進行處理，也可聯(lián)合加藥處理，以確保鍋爐給水符合 《工業(yè)鍋爐水質》的要求，并完善日常管理，加強運行中定期排污。

（4）使用單位必須配備專職的水質化驗員，做好水質化驗工作，加強水質管理，防止水質超標。

（5）對鍋爐司爐人員加強教育培訓，提升其技術水平和責任心。

4 結語

上述兩臺鍋爐均已修理且經監(jiān)督檢驗合格，并重新投入使用，有效地避免了安全事故。但對鍋爐的修理既耗時、耗力，又影響企業(yè)的正常生產，造成了一定程度的經濟損失。因此，使用單位在生產過程中更應該加強對于鍋爐的日常維護和運行保養(yǎng)。同時，應積極主動同檢驗單位加強溝通聯(lián)系，及時申報、配合檢驗，確保鍋爐正常、可靠的運行。

綜上所述，上述兩臺鍋爐均為日常運行管理不規(guī)范引起的鍋筒底部結垢和泥沙、泥垢沉積，導致鍋筒底部受熱面過熱、過燒而形成鼓包變形。