锅炉水冷壁爆管原因分析

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锅炉水冷壁爆管原因分析

文章出处：李彦林 新疆克拉玛依石化厂热电厂   发布时间：2006-02-14 [/td]

1 概 述 　 克石化厂热电厂1号锅炉DG130/3.82-4型，是以燃煤为主，兼烧天然气的两用型中压自然循环锅炉，π型布置，背靠背结构，煤粉悬浮燃烧，固态排渣，钢结构，室内布置。炉膛四角切向布置煤粉，天然气燃烧器，无水平烟道，炉膛和后竖井皆由膜式壁组成，并布置有蒸汽和吹灰器装置，采用轻型炉墙。自投产以后，不到一年的时间，水冷壁中同一根炉管的同一部位，发生两起爆破事故。为此对水冷壁第二次爆管进行失效分析，以给解决爆管问题提供技术依据。 　 2 爆管部位的检验 　　2.1 水冷壁爆管情况 　 第二次爆破的特征比较复杂，在整个管段有一处57×34 mm呈不规则矩形的严重爆破口，有两处类似裂纹的穿透型破口，见图1。另外，从穿透型破口中喷出的压力为3.82 MPa的汽水混合物将附近一根水冷壁管刺穿，见图2。图中注出了金相取样点。 　2.2 硬度测试 　 爆管的硬度检测结果见表1，断面中部测点对应各金相取样点，由于爆管局部硬度偏低，用布氏(HB)无法测定时，改用里氏(HLD)检测。 　 　 2.3 厚度测试 　 爆管及泄漏管厚度测试见表2。 　 由上表看出，各管段向火面厚度小于相应的背火面。 　2.4 材质分析 　 材质分析见表3。 　 由上表看出，各管段材质符合20号钢的标准。 　3 破口特征 　3.1 爆破口的形貌 　 爆破口张口不是很大，呈现不规则矩形，长边沿水冷壁管轴线方向；破口边缘比较锐利，减薄较多，由厚度测试知道最薄处仅为0.18 mm左右；破口断裂面较为光滑，呈撕裂状；破口处表面附近有明显的脱层现象，仔细观察有平行于破口的轴向细微的金属纹路。从爆破口的形貌分析，该爆破口具有短期过热爆管的破口特征，但又夹杂了长期过热爆管的一些征状，因此仅凭形貌特征还不能断定爆管的类别。 　3.2 裂纹型破口形貌 　 破口并不太大，是沿水冷壁轴向的裂纹，破口表面有一层比较厚的氧化皮，较脆，局部有脱落现象。综合分析上述特征，破口具有蠕变断裂的脆性断口的形貌特征，但需进一步分析验证。 　3.3 冲刷泄漏管的形貌 　 破口呈现凹型，外表面在压力为3..82 MPa左右的高压汽水混合物的冲击下，呈现为光滑的曲面，由于冲击力的作用，在受力最集中的地方，磨损也最大，同时又受管内汽水混合物压力及炉膛热应力作用，经过一定时间后被剌穿泄漏。 　 4 爆破管的管径变化情况 　 水冷壁管因过热爆破之前，管径总是胀粗的。　水冷壁管的爆破，正是管径胀粗超过了极限的结果。 　　由于水冷壁管有向火面与背火面之分，向火面管壁温度高，因而蠕变速度较大，该处金属强度也由于温度过高而降低；背火面管壁温度较低，因而蠕变速度也较小，而该处的金属强度也由于温度低而较高。这一现象在水冷壁管因短期超温过热爆管和长期过热爆管均如此。在水冷壁管管径胀粗的同时管壁也逐步变薄。随着管径胀粗及管壁减薄的程度不同，应力分布也同时发生了变化，并最终常常在向火面处发生爆破。测量可知爆破管段的相对胀粗值在20.8%左右，裂纹型破口相对胀粗值在8%～18%，比较而言，爆破口管段胀粗比裂纹型破口管段严重。 　 5 破口的组织和性能变化分析 　 用PME-3金相显微镜对各破口组织和性能变化分析如下。 　5.1 爆破口处的组织 　 爆破口边缘沿壁厚方向的金相组织为铁素体+珠光体+碳化物颗粒+粒状贝氏体，铁素体沿变形方向被拉长，碳化物明显增加。从破口组织看出，该管子爆破超温温度未超过20号钢的Ac1(约735℃)但接近Ac1点，因此在爆破时未形成奥氏体组织，而铁素体产生变形。当管子爆破后，水冷壁管内温度约300℃左右的汽水混合物从管内高速冲出，迅速冷却破口，使爆破边缘、组织内部碳原子重新分布，在奥氏体贫碳区开始形成大体平行的铁素体板条，碳几乎都富集到奥氏体中，铁素体板条进一步长大并侧向靠拢，最终将高碳奥氏体包围起来成孤立小岛。板条铁素体非常细小，难以辨认，只见到组合成的块状铁素体，从而得到粒状贝氏体。　综上所述，结合形貌特征，该处爆管应属于短期过热爆管。 5.2 爆破口下端向火面组织 　 爆破口下端向火面的组织为铁素体+珠光体+碳化物颗粒+粒状贝氏体。但铁素体晶粒未发生变形，碳化物不明显。从组织看，与爆破边缘相似，这是因为水冷壁管爆破后，破口附近与破口边缘有近似于热处理过程的缘故。 　5.3 爆破口背火面组织 　 爆破口处背火面的组织为铁素体+珠光体+碳化物颗粒，珠光体球化4级。与爆破口向火面组织相比较，组织中没有粒状贝氏体，这一区别比较明显，主要因为背火面由于膜式壁的阻隔，由爆破口喷出的汽水混合物不能到达背火面的缘故。 　5.4 裂纹型爆破口(1)的组织 　 裂纹型破口(1)处的组织内部已发生严重的裂纹，其组织均为铁素体+晶界碳化物，钢中渗碳体已分布在铁素体的晶界上，珠光体全部球化，组织发生畸变。硬度值由管外壁沿径向方向依次降低，迎火面235HLD，断面中部为124HB，而20号钢的硬度为≤156HB。结合形貌分析，该管段属于长期过热爆管。 　5.5 裂纹型爆破口(2)的组织 　 裂纹型破口(2)的组织为铁素体+晶界碳化物，珠光体全部球化，组织发生畸变。由于破口(2)与破口(1)间隔距离较近，故其组织和性能类似。该处破口也属于长期过热爆管。 　5.6 泄漏管边缘组织 　 泄漏管边缘金相组织为铁素体＋珠光体＋碳化物，珠光体球化4级，内壁侧组织为铁素体＋珠光体，是20号钢的原始组织，珠光体球化3级。　该点的硬度值比正常组织的硬度值低，强度已有所下降。 　5.7 泄漏管泄漏部位下端向火面组织 　 泄漏管泄漏部位下端向火面组织为铁素体+珠光体，是20号钢的正常组织，这与爆破管喷出的汽水混合物连续冷却该刺穿部位有一定关系，其硬度由管内壁沿径向方向下降，低于正常组织硬度值，强度有所下降。 　5.8 泄漏管背火面组织 　 泄漏管泄漏部位背火面组织为铁素体+珠光体+碳化物，珠光体球化３～4级。硬度值远低于156HB，说明强度有所下降。 　 6 结 论 　 (1) 水冷壁爆破管和冲刷泄漏管的材质符合20号钢的材质要求。 　 (2) 水冷壁爆管段爆口边缘、下端及背火面组织中珠光体都有不同程度的球化(3～5级)，且外壁球化较内壁严重，晶界上有碳化物析出，铁素体晶粒沿爆管变形方向被拉长，晶粒长大。由爆口特征及组织分析，此爆管属短期过热爆管。 　 (3) 水冷壁裂纹型爆管段的珠光体已完全球化，组织为铁素体和碳化物，碳化物大量分布在铁素体的晶界上，晶粒沿周向被拉长，组织中有蠕胀裂纹。由爆口特征及组织分析，此爆管属长期过热爆破管。 　 (4) 泄漏管的泄漏部位及其背火面组织珠光体，呈现不同程度的球化现象(3～4级)，外壁较内壁严重，晶界上有碳化物析出。泄漏部位下端组织为铁素体和珠光体，未见异常变化。 　 (5) 泄漏管水冷壁断面靠近内壁侧有带状组织分布，按照YB31-64A列标准确定带状组织程度为一级。有关资料表明，带状组织使钢机械性能产生各向异性，即沿着带状纵向的强度高，韧性好，横向的强度低，韧性差。 　 (6) 水冷壁爆管处晶粒长大，根据YB-77标准判定晶粒度7级。其余晶粒度正常。 　 (7) 水冷壁管向火面与背火面的组织是有差异的，这是因为向火面与背火面所处的温度水平不相同的缘故。总的来说向火面的硬度下降，强度降低，但当水冷壁发生短期过热爆管或长期过热爆管时，爆破口边缘及爆管局部的组织也是有差异的。 　 (8) 综合上述分析，可以看出爆管的主要原因应是水循环设计问题，导致爆破管水循环不良，而炉膛内积灰结渣恶化了锅炉传热，使爆破管受热更差，最终导致爆管。要彻底解决问题，必须从水循环系统及锅炉结渣两方面进行分析和采取措施。