某垃圾焚燒爐水冷壁管爆口原因分析研究★

龍靖安，張啟禮

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510655）

0 引言

蒸汽吹灰器是電站燃煤鍋爐主要采用的吹灰裝置，利用高溫高壓蒸汽的射流沖擊受熱面上的積灰、結(jié)渣，當(dāng)沖擊力大于灰粒與灰?；蚧伊Ｅc管壁的作用力時(shí)，灰粒便脫落，從而達(dá)到清除受熱面積灰、結(jié)渣的目的。實(shí)踐證明，在鍋爐運(yùn)行過程中，經(jīng)常對受熱面進(jìn)行吹掃，能有效保障鍋爐正常運(yùn)行，但蒸汽吹灰器系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)受安裝位置等因素的限制[1-2]。

1 設(shè)備概況

某企業(yè)3 號(hào)垃圾焚燒爐水冷壁管在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)爆口。該垃圾焚燒鍋爐生產(chǎn)制造商為四川川鍋鍋爐有限責(zé)任公司，型號(hào)為G-750-90.8/4.0/450-LJ，于2018 年7 月投入使用，運(yùn)行超過5 年。出現(xiàn)爆口的水冷壁管段位于吹灰器旁，如圖1 所示。為了分析并找出水冷壁管爆口的根本原因，進(jìn)行如下試驗(yàn)。

圖1 水冷壁管與吹灰器位置

2 爆口宏觀形貌觀察

爆口管是一條等徑三通水冷壁管，材質(zhì)為20#，規(guī)格為Φ76 mm×6.0 mm。水冷壁管爆口和外觀形貌如圖2 所示。肉眼可以看到彎管和直管外表面都有結(jié)焦，但爆口兩側(cè)存在一個(gè)明顯吹損的平面，平面光滑。爆口位于彎管向火側(cè)彎頭正下方的位置，呈細(xì)長條形，總長度為129 mm，裂口細(xì)小，斷裂面粗糙不平整，邊緣不鋒利，較鈍，爆口兩側(cè)存在15 mm 寬的吹損平面，如圖3 所示。直管未見有爆口，也無明顯的沖蝕痕跡。

圖2 送檢水泠壁管

圖3 爆口放大圖

3 壁厚測定

把管子表面輕微打磨至露出金屬光澤后，采用超聲波測厚儀對直管和彎管進(jìn)行壁厚測量。樣管測量位置如圖4 所示，測量結(jié)果如表1 所示。

表1 送檢樣管壁厚測量結(jié)果

圖4 送檢樣管壁厚測點(diǎn)位置示意圖

同樣對樣管背火面的壁厚進(jìn)行測量，其結(jié)果為5.48 mm。從管子壁厚測量結(jié)果可以看出，水冷壁管整體壁厚是減薄的，向火面?zhèn)葴p薄明顯，吹損面減薄較為嚴(yán)重。

4 硬度檢測

在管子直管上任取一小塊試樣，在彎管吹損面及其旁邊各切取一小塊試樣，在顯微硬度計(jì)上分別對3個(gè)小試樣進(jìn)行顯微硬度測量，檢測結(jié)果如表2 所示。

表2 硬度分析結(jié)果

從表2 檢測結(jié)果可以看出，所測量彎管吹損面的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他部位和直管的硬度，也高于《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T699—2015 材質(zhì)20#的硬度標(biāo)準(zhǔn)值，這有可能是彎管上的小平面吹損造成了管子的形變強(qiáng)化，也有可能是爆管后水冷壁內(nèi)汽水混合物從管內(nèi)高速?zèng)_出，迅速冷卻爆口，使爆口處產(chǎn)生淬硬組織[3]。

5 拉伸試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 228.1《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》附錄E，針對管材試樣，采用以全壁厚縱向弧形試樣對管子進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。因管子彎管段向火面出現(xiàn)爆口，不能在該管子向火面取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)?，F(xiàn)對彎管的背火面、直管的向火面及背火面沿管子縱向各加工1 個(gè)拉伸試樣。在電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，彎管背火面的伸長率小于標(biāo)準(zhǔn)值，直管向火面和背火面的屈服強(qiáng)度接近標(biāo)準(zhǔn)下限，其余指標(biāo)符合要求[4]。

6 微觀形貌分析

為了觀察和分析彎管爆口的顯微形貌，在彎管出現(xiàn)爆口的吹損平面切一小塊，用掃描電鏡分別對小試樣的內(nèi)外表面進(jìn)行微觀形貌分析。其外表面相當(dāng)不致密，有許多空洞，顆粒較大，且顆粒間存在較多微裂紋，如圖5、圖6 所示。在吹損平面背面（管子內(nèi)表面），其表面整體比較平整致密，未發(fā)現(xiàn)有微裂紋，如圖7、圖8 所示。

圖5 彎管吹損面外表面微觀形貌圖（50×）

圖6 彎管吹損面外表面微觀形貌圖（198×）

圖7 彎管吹損面內(nèi)表面微觀形貌圖（50×）

圖8 彎管吹損面內(nèi)表面微觀形貌圖（200×）

7 金相組織分析

在管子彎管橫截面及吹損平面取一小試樣進(jìn)行研磨、拋光后，用金相顯微鏡觀察試樣表面，沒有看到明顯的雜夾物。再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，將制備好的金相試樣于金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察[5]。

彎管橫向金相組織為珠光體+鐵素體，珠光體球化級(jí)別為2.5 級(jí)。同時(shí)從金相圖片可以看出，晶粒有一定程度的變形，如圖9 所示。

圖9 彎管橫截面金相組織圖（500×）

吹損平面處的金相組織也是鐵素體+珠光體，不過組織分布嚴(yán)重不均勻，且吹損處邊緣晶粒變形嚴(yán)重，未發(fā)現(xiàn)淬硬組織，如圖10、圖11 所示。

圖11 吹損平面處金相組織圖（500×）

8 結(jié)果分析

通過對水冷壁管子進(jìn)行宏觀觀察、壁厚測量、硬度檢測、爆口表面微觀形貌觀察和金相組織分析等，所得結(jié)果如下：

1）宏觀可見彎管爆口處兩側(cè)各有15 mm 寬的吹損平面；

2）通過壁厚檢測，發(fā)現(xiàn)水冷壁管整體壁厚減薄，爆口邊壁厚減薄最為嚴(yán)重，最薄處僅為1.29 mm；

3）通過對管徑進(jìn)行測量，未發(fā)現(xiàn)明顯脹粗現(xiàn)象，說明水冷壁爆口不是短時(shí)過熱造成的；

4）水冷壁管吹損平面的顯微硬度遠(yuǎn)高于其余部位，也高于其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，這是形變強(qiáng)化導(dǎo)致的，也驗(yàn)證了該處減薄不是由于腐蝕造成的；

5）通過掃描電鏡對彎管爆口的吹損平面進(jìn)行觀察，其外表面相當(dāng)不致密，有許多空洞，顆粒較大，且顆粒間存在較多微裂紋，管子內(nèi)表面無微裂紋，說明裂紋是從外向內(nèi)擴(kuò)展的；

6）水冷壁管金相組織為珠光體+鐵素體，未見明顯球化現(xiàn)象，故可以推斷出爆口不是由過熱造成的[6]。

基于上述分析，可以斷定該水冷壁管爆口的最主要原因是吹損所致。

9 控制措施

針對此次水冷壁管爆口的情況，提出相關(guān)建議：在易吹損的部位采用噴涂工藝噴涂一層耐磨材料，或采用堆焊工藝堆焊一層耐磨材料；在不影響吹灰的情況下，降低吹灰的工作壓力；避免吹灰蒸汽含有水分。