鍋爐水冷壁管爆管原因淺析

陳玉良，李 昆，周劍川，黃慶富，李 亞

（普洱市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心，云南 普洱 665000）

鍋爐是生產(chǎn)生活中的一種重要裝置和設(shè)備。在鍋爐的運(yùn)行過程中存在很多不穩(wěn)定的因素，如果不及時(shí)消除，可能導(dǎo)致鍋爐事故的發(fā)生。在所有鍋爐事故中，除鍋爐爆炸事故外，鍋爐爆管事故就是最嚴(yán)重的事故，也是最危險(xiǎn)的事故[1]。鍋爐爆管事故，在實(shí)際運(yùn)行中，是一種較常見的事故，屢有發(fā)生，處理不當(dāng)則后果慘重。如果爆管裂口較大，會(huì)損壞臨近的水冷壁管，可使臨近的管壁噴射穿孔，破壞設(shè)備，沖塌爐墻，造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，并可能在短時(shí)間內(nèi)造成鍋爐嚴(yán)重缺水，使事故擴(kuò)大[2]，所以查找出爆管的原因，采取有效的預(yù)防措施是非常有必要的。

某糖廠使用的一臺(tái)SHS30-2.5／400-AⅡ型鍋爐，1984年01月投入使用，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間近10萬h。2018年榨季運(yùn)行期間水冷壁管爆管，省煤器管斷裂，司爐人員緊急停爐處理得當(dāng)未發(fā)生進(jìn)一步的安全事故。爆管事故發(fā)生后，應(yīng)糖廠委托，作者對該鍋爐進(jìn)行了全面的內(nèi)部檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了爆管后的另外幾處問題；對爆管及其他問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，針對檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題，提出了具體的處理和預(yù)防措施，為我市轄區(qū)內(nèi)工況類似的其他鍋爐檢驗(yàn)提供幫助。

1 鍋爐常見的爆管原因

1.1 安裝制造缺陷

水冷壁管道制造過程中的砂眼或其他缺陷產(chǎn)生的管道質(zhì)量問題；安裝過程中存在的焊接質(zhì)量缺陷、屏間應(yīng)力不均造成鰭片撕裂并擴(kuò)展至管壁導(dǎo)致的泄漏或爆管，鍋爐結(jié)構(gòu)不合理造成的水循環(huán)破壞都會(huì)導(dǎo)致爆管[2，3]。

1.2 材質(zhì)劣化

超溫超壓運(yùn)行使水冷壁管過熱，管子長期在高溫高壓下工作，不但會(huì)發(fā)生蠕變、斷裂和應(yīng)力松弛等變形過程，而且還會(huì)發(fā)生組織和性能的變化[2，4]。比如珠光體球化、石墨化，合金元素的重新分配等。超溫會(huì)使鋼的持久強(qiáng)度和蠕變極限下降，對鋼材的高溫機(jī)械性能影響很大，它會(huì)加快金屬在高溫下的蠕變速度。孫寧等[5]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)20G水冷壁管處于550℃時(shí)，蠕變斷裂時(shí)間約為750h，溫度600℃時(shí)，蠕變斷裂時(shí)間很短；而處于650～850℃時(shí)，蠕變斷裂時(shí)間非常短（3～15min），石墨化將大大降低鋼材的機(jī)械性能。石墨在基礎(chǔ)組織中可以認(rèn)為是空洞和裂縫，使鋼材的強(qiáng)度極限、韌性都大幅下降，從而使鋼材脆性增加。鋼材長期在高溫條件下還會(huì)發(fā)生合金元素從固溶體中逐漸向碳化物擴(kuò)散，使碳化物中的合金元素逐漸增多，導(dǎo)致鋼材的高溫機(jī)械性能降低。

1.3 運(yùn)行管理不當(dāng)

司爐人員操作不當(dāng)，鍋爐升溫或降溫過快，爐管受熱或冷卻不均勻產(chǎn)生較大的應(yīng)力造成承壓部件發(fā)生疲勞破壞；爐水給水品質(zhì)長期超標(biāo)，水質(zhì)不符合標(biāo)準(zhǔn)，沒有水處理措施或?qū)o水和鍋水的水質(zhì)監(jiān)管不嚴(yán)[6]，使管內(nèi)結(jié)垢甚至發(fā)生堵管或出現(xiàn)垢下腐蝕，致使局部熱阻力增大而造成管壁過熱，強(qiáng)度降低[7]；鍋爐帶病運(yùn)行，明知鍋爐存在安全隱患或安全保護(hù)聯(lián)鎖裝置無效的情況下不及時(shí)處理而堅(jiān)持運(yùn)行。這種情況帶來的后果更嚴(yán)重，如2016年當(dāng)陽8.11鍋爐主蒸汽管爆炸事件。

2 檢驗(yàn)檢測

2.1 運(yùn)行情況檢查

經(jīng)現(xiàn)場詢問當(dāng)班司爐人員及檢查事故發(fā)生前的鍋爐運(yùn)行記錄，事故發(fā)生當(dāng)天該鍋爐運(yùn)行正常，鍋爐給水、蒸汽壓力、蒸汽溫度、汽水品質(zhì)、爐膛溫度、燃料供給等各項(xiàng)參數(shù)正常，未見超溫超壓運(yùn)行。該臺(tái)鍋爐控制系統(tǒng)老舊，給水調(diào)節(jié)、燃料供給、鼓引風(fēng)等均為人工調(diào)節(jié)控制。經(jīng)查2018年01月外部檢驗(yàn)報(bào)告發(fā)現(xiàn)，鍋爐高低水位、超溫、超壓報(bào)警聯(lián)鎖裝置均無效。

2.2 宏觀檢查

經(jīng)宏觀檢查，水冷壁管爆管部位為鍋爐右側(cè)后至前6#管，距后墻約1.0m，爆口標(biāo)高約6.0m，爆口位于直段向火側(cè)，爆口長度約200mm，最大開口寬度約125mm，管子存在較大的彎曲變形，見圖1。鍋爐左右水冷壁管部分彎曲變形，最大變形量約500mm，鍋爐前后部分水冷壁管存在不同程度彎曲變形，變形量均超過管子公稱直徑。鍋爐省煤器第二級段，前至后下部4#管斷裂、泄漏；上鍋筒前水冷壁管脹口左至右第1#、2#、3#、4#脹口滲漏，其余部位未見異常。

圖1 爆口形貌

2.3 水冷壁管厚度檢測

采用MMX-6型超聲波測厚儀對水冷壁管進(jìn)行厚度檢測，水冷壁管規(guī)格Φ57×3.0mm，材質(zhì)為20#鋼。右水冷壁管檢測26根，測點(diǎn)標(biāo)高5.8m，實(shí)測最小厚度2.4mm；左水冷壁管檢測21根，測點(diǎn)標(biāo)高6.0m，實(shí)測最小厚度2.5mm；前水冷壁管檢測12根，測點(diǎn)標(biāo)高6.6m，實(shí)測最小厚度2.8mm，后水冷壁管檢測22根，測點(diǎn)標(biāo)高6.0m，實(shí)測最小厚度2.6mm。測點(diǎn)位置見圖2，檢測結(jié)果見表1。

圖2 測點(diǎn)部位示意圖

表1 水冷壁管壁厚檢測結(jié)果 mm

2.4 硬度檢測

采用HT-2000A型便攜式里氏硬度計(jì)對部分水冷壁管進(jìn)行硬度檢測，檢測結(jié)果顯示所測部位前后左位置水冷壁管硬度值偏低，右6#管硬度值明顯增加。硬度檢測位置標(biāo)高與測厚標(biāo)高一致，硬度檢測位置見圖3，硬度檢測結(jié)果（三次平均值）見表2。

圖3 硬度測點(diǎn)位置示意圖

表2 硬度檢測結(jié)果 HB

2.5 金相組織檢驗(yàn)

采用便攜式金相儀對右6#水冷壁管爆口上部100mm位置處進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，金相組織照片見圖4。金相組織為貝氏體及部分索氏體、少量馬氏體、晶粒粗大。20#鋼的金相組織應(yīng)為鐵素體和珠光體，從檢測結(jié)果來看爆口附近的金相組織已經(jīng)發(fā)生變化。

圖4 爆管處上部100mm位置金相組織照片

3 結(jié)果分析

3.1 金相組織分析

鍋爐用20#鋼材質(zhì)的水冷壁管的交貨狀態(tài)應(yīng)為熱軋態(tài)，金相組織為鐵素體和珠光體。通過對爆管附近管段的金相組織檢驗(yàn)和硬度檢測，可知爆口附近的金相組織異常，晶粒粗大，有貝氏體和索氏體出現(xiàn)，且硬度值偏高?？梢姳軙r(shí)由于爆口處溫度較高，已經(jīng)超過了AC1點(diǎn)，導(dǎo)致爆口處及爆口附近的金相組織發(fā)生相變。在正常運(yùn)行時(shí)，水冷壁管外壁的溫度低于相變臨界點(diǎn)AC1，金相組織為鐵素體和珠光體；當(dāng)水冷壁管出現(xiàn)超溫，超過20#鋼的相變臨界點(diǎn)AC1時(shí)，金相組織中的部分珠光體和鐵素體會(huì)發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度下降，超溫運(yùn)行導(dǎo)致管子許用應(yīng)力降低而難以承受正常的工作壓力發(fā)生爆管。爆口附近的金屬在水汽噴射的作用下，奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，由于鍋爐汽水溫度較高，奧氏體在轉(zhuǎn)變過程中過冷度不足，奧氏體大部分轉(zhuǎn)變成上貝氏體。上貝氏體相對于正常的珠光體組織，其硬度高，而脆性也較大，爆口附近向火側(cè)金屬的硬度值較高正是由于金相組織中存在上貝氏體造成的。

3.2 割管檢查分析

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)水冷壁爆管段向火面外壁發(fā)黑，外壁附著一層較薄的氧化皮，爆口處壁厚明顯減薄及塑性變形明顯且斷面尖銳呈喇叭形（見圖5），具備短時(shí)超溫爆管的一般特征[8]。

圖5 爆管宏觀形貌

3.3 水冷壁管彎曲及脹口滲漏原因分析

水冷壁管缺水后，管子處于高溫高壓狀態(tài)，右6#管爆管后，汽水噴射作用導(dǎo)致部分水冷壁管激冷后彎曲變形，水冷壁管彎曲變形產(chǎn)生較大拉力，導(dǎo)致部分脹口滲漏。

3.4 爆管原因分析

鍋爐高低水位報(bào)警聯(lián)鎖保護(hù)裝置未設(shè)置，省煤器管斷裂后給水不足，司爐人員未及時(shí)發(fā)現(xiàn)給水異常導(dǎo)致鍋筒和水冷壁管缺水，水冷壁管缺水后造成壁管短時(shí)過熱，管子的強(qiáng)度和蠕變極限急劇下降，在右6#水冷壁管壁厚較薄處發(fā)生爆管事故。右6#水冷壁爆管后鍋爐內(nèi)壓力得以釋放，并對爐膛溫度起到了一定的控制作用，司爐工緊急停爐后事故未進(jìn)一步擴(kuò)大。

4 處理及預(yù)防措施

處理措施：更換左右兩側(cè)全部水冷壁管及前后變形量超標(biāo)的水冷壁管，更換省煤器，修復(fù)上鍋筒水冷壁管滲漏脹口，安裝并投用鍋爐高低水位聯(lián)鎖保護(hù)裝置、超壓聯(lián)鎖保護(hù)裝置。

處理后運(yùn)行效果：根據(jù)上述處理措施修理后，經(jīng)水壓試驗(yàn)合格，該鍋爐繼續(xù)投入運(yùn)行，運(yùn)行情況正常，有力保證了榨季期間生產(chǎn)任務(wù)的順利完成。

預(yù)防措施：使用單位加強(qiáng)檢修質(zhì)量管理，對老舊控制系統(tǒng)進(jìn)行升級更新，加大對重點(diǎn)部位的巡查，對司爐人員資質(zhì)及操作水平嚴(yán)格把關(guān)，加大對鍋爐運(yùn)行事故處理能力的培訓(xùn)；檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)省煤器、水冷壁管、過熱器等重點(diǎn)部位的檢驗(yàn)，及早發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，使用單位應(yīng)重視檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)提出的問題并及時(shí)整改，加強(qiáng)安全主體責(zé)任意識(shí)。

5 結(jié)論

通過對鍋爐水冷壁管爆口宏觀檢查、壁厚檢測、硬度檢測和金相組織檢驗(yàn)綜合分析可知：水冷壁爆管的直接原因是缺水導(dǎo)致的短時(shí)過熱，管子強(qiáng)度降低，爆裂失效發(fā)生在管壁最薄處。本次爆管事故客觀原因是鍋爐各部件老化，材質(zhì)劣化引起的。主觀原因是使用單位安全意識(shí)薄弱，落實(shí)安全主體責(zé)任不到位，對檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)多次提出的應(yīng)安裝高低水位報(bào)警聯(lián)鎖裝置不予重視，最后導(dǎo)致事故的發(fā)生。安全不是檢測出來的，安全是運(yùn)行維護(hù)出來的，只有使用單位提高安全意識(shí)，才能避免事故的發(fā)生。