锅炉受热面短时过热爆管原因分析

锅炉受热面短时过热爆管原因分析

[摘要] 本文对锅炉受热面管短期过热爆管进行分析，介绍短期爆管后断口特征，并从运行、制造、安装等方面分析造成锅炉管排短时过热爆管的原因。

[关键词] 受热面爆管分析

前言

锅炉受热面包括过热器、再热器、水冷壁、省煤器。受热面是锅炉用于锅炉受热蒸发内部介质的重要部件，通常布置在锅炉中直接接受火焰烘烤或者烟气温度较高的位置。而在这些区域工作条件较为恶劣，热负荷较大，受热面积大，流阻大，流量小，内受较大的工作压力。这就决定了受热面经常发生爆管事故，而爆管事故发生时，高温高压水汽泄漏，轻则停炉检修重则造成人员伤亡、国家财产的大量损失。而短时过热爆管在调试过程中经常发生，本文

因此，了解锅炉受热面短期过热爆管时金属发生的组织变化，对于分析爆管事故的产生原因意义重大，同时对于减少生命财产损失及锅炉的安全运行及调试意义具有指导意义。

1.受热面管内部承压分析

受热面管子在高温运行过程中所受的应力主要为纵向应力σ2见图（1）和环向应力σ1见图（2），其值大小为：

σ1=pDp/4s; σ2= pDp/2s(其中p为管子承受的内压力，MPa；S为管子的计算壁厚，m；Dp为平均直径，m。（1）

管子承受内压时可以看做是一薄壁圆筒，其壁厚远小于平均直径，因此纵向应力和环向应力沿壁厚可以认为是均布的。由上述应力分析得知，管子承受内压时环向应力为纵向应力的2倍。应力分布的这种现象决定了锅炉受热面管子的破裂口的位置特征。一般情况，破口均为纵向破口，只有当管子承受较大的外载荷时才会出现横向破口。

图（1）图（2）

本文就锅炉受热面发生短期过热爆管时金属形变及微观组织结构的变化做简要分析。

2.短期爆管破口的特征

2.1破口的宏观特征

短期过热爆管的破口具有完全延性断裂的特征，破口为刀刃型断口并呈喇叭口张开，管壁减薄很多，破口明显粗涨，表面光滑，外壁蓝黑色，内壁光洁，破口附近没有裂纹。宏观特征表明，在短时间内，部分管壁突然上升温度达钢的下临界转变点Ac1，甚至达上临界点Ac3。这么高的温度必然导致锅炉管子发生了很大的塑性变形和完全延性断裂，短时间的超高温使金属强度迅速降低，而其塑性和延性较好，因此管径变粗、管壁变薄，产生动态结晶型蠕变，形成完全延性断口。

当管子有裂纹、折叠、严重夹杂、严重脱碳等缺陷时，破口大多沿裂纹方向展开，破口很平直，断口有两部分组成。缺陷部分及靠近缺陷的部位为脆性断口，其余部分为韧性断裂，破口处壁厚减薄不多。

2.2破口的微观特征

短期超温温度高于钢材的下临界转变点Ac1，甚至达到上临界转变点Ac3，爆管后又因为介质外泄迅速冷却，因此好像对断口进行了淬火处理。破口附近其断口处金属的微观组织必然发生了变化。当超温达到钢的Ac3之上时，破口处相当于进行了完全淬火，显微组织将出现马氏体、贝氏体、屈氏体之类的淬硬组织（见图3），这些组织通常会不同程度的被回火处理。当超温在钢的Ac1- Ac3之间时，破口处相当于不完全淬火，因此破口处除淬硬组织外还有部分块状的自由铁素体(见图4)。一般管径大、管壁薄的水冷壁管爆破时超温范围往往在两相区，破口组织为不完全相变组织。当超温未达到钢的Ac1时，破口组织通常为铁素体和珠光体，爆管过程中铁素体会沿变形方向被拉长（见图5），同时珠光体会有不同程度的球化。同时，破口对面组织形态将不会有太大的改变，仍然保持珠光体和铁素体形态，因此根据破口处的金相组织特征可以估计处破口时管子所承受的超温幅度。

图（3）爆管时超温在Ac3之上时破口处的金相组织，

左为板条状马氏体和贝氏体，右为低碳马氏体

图（4）爆管时超温在钢的Ac1- Ac3温度之间时破口处的金相组织

图（5）爆管时超温未达到钢的Ac1温度时破口处的金相组织（拉长铁素体）

当管子有裂纹、折叠、严重夹杂、严重脱碳等缺陷时，破口的微观组织在破口处或者破口延伸方向有时能在裂纹延伸部分或爆破口山沟连续或密集性的非金属夹杂物，有时还能看到裂纹周围有脱碳等异常组织。

3.锅炉受热面受热损坏机理

在实际应用中，考虑费用及高合金钢焊接性问题而大多采用20钢和12Cr1MoV、10CrMo910等珠光体耐热钢。20钢和12Cr1MoV、10CrMo910等珠

光体耐热钢的原始组织一般是铁素体加珠光体，珠光体组织中的渗碳体呈片状。球状渗碳体的表面能量较片状渗碳体表面能低，因此这些钢在高温运行时，渗碳体将由片状转变为珠状，并聚集长大，这钟现象称为珠光体的球化。珠光体的球化使钢的高温和高温强度降低，使钢的蠕变和持久强度下降，从而导致钢管的失效。合金钢中合金元素的原子熔入铁的晶格中，当温度在500℃以上时，合金元素的活动能力增强，它将丛铁素体中析出，使铁素体贫化，并改变碳化物的数量、分布等，从而使钢的高温强度变低，此种现象为合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配。由于碳化物优先在晶界上析出，使晶界性质发生较大的改变，当碳化物聚集在晶界上呈连续薄膜状时，削弱了晶界强度，从而产生蠕变裂纹，进而造成沿晶界的脆性断裂。同时在高温应力的作用下随着原子活动能力的增强，渗碳体将析出游离的碳，此种现象为钢的石墨化。相关资料（2）表明当石墨化严重时，钢的硬度可下降8%-18%，冲击韧性严重下降，以至冲击值降为零。

4.锅炉受热面短期过热原因

4.1锅炉结构布置不合理造成锅炉水循环不正常，上下联箱的压力差小于水冷壁内汽水混合物液柱的重量，上升管出现自由水面，自由水面上部的管子短期大幅度超温。

4.2锅炉受热面是靠焊接组装而成，不管是在锅炉厂还是在现场安装中，都需要焊接作业。受热面每一根管子都有多个焊口，整个受热面多达几千上万只焊口。安装过程中，锅炉管排或联箱内杂物（如焊渣、泥沙、铁锈、工具、钢球等异物）没有清理干净，而造成管路堵塞从而造成运行时短期超温。

4.3燃煤性质变差如挥发份降低、煤粉细度达不到要求，造成燃烧不稳定，炉膛漏风增大，燃烧器上倾角过大，过量空气系数过大等引起火焰中心上移，造成短期超温。

4.4运行中没有维持良好的汽水循环，汽水混合物出现管内倒流时，蒸汽泡停止上升，并迅速合成大气束，充斥与管内，出现汽塞，部分管壁迅速超温。

锅炉短期超温保管的原因比较复杂，上述原因并不是造成超温爆温保爆管的全部原因，但锅炉受热面短期超温是引起金属失效的只要原因之一，从上述分析得知，当受热面管金属失效时必然会导致爆管事故的发生。

5.结束语

上述分析基本说明了锅炉受热面在短期过热爆管情况下破口的组织宏观特征和微观特征及钢材的破坏机理。并从锅炉结构、安装、运行等方面分析了短期超温爆管的主要原因，这对于在调试过程中遇见此类情况的原因分析有一定的指导意义。

参考文献：