锅炉水冷壁管爆管的原因分析及应对策略研究
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验，据试验结果提出合理的预防措施。
2 理化分析
2.1 宏观观察 首Βιβλιοθήκη Baidu对炉管进行宏观检查，发现失效炉管存在三处爆口，如
图 1，其中泄漏点 2 和泄漏点 3 的厚度明显减薄，且有外壁有冲 刷的迹象，爆口处十分锋利，据此可以断定炉管是先磨损后爆破 而发生泄漏；另外，爆口 1 的厚度几乎没有变化，应该是受内压 和外压作用而发生破裂，但是还不能确定是内压作用还是外压作 用而引起破裂。
Fig.1 Tube morphology 对爆口 1 周边进行检查，发现炉管外壁的焊接接头处存在一 条细小的裂纹，因此，将这个裂纹区域及失效部位切割下来，其 形貌如下图 2。对裂纹区进行清理，发现该裂纹在熔合线方向上， 而且内壁沿焊缝方向同样存在着断断续续的裂纹，但管内和管外 均没有结垢的现象。
图 2 外壁裂纹区与内壁裂纹区 Fig.2 Outer wall crack zone and inner wall crack zone 综合炉管的宏观形貌，可以知道漏点 1 是因某种原因在焊缝 处产生了裂纹，于是发生强度失效，在高温高压的运行工况下， 内部蒸汽冲破裂纹，引发泄露，外泄的高压蒸汽射在另一根管子 上(漏点 2)，将其表面冲刷出沟痕，使其厚度减薄，已不能承受管 内压力而破裂，所以外形呈喇叭状爆裂，破裂处呈刀刃形边缘。 同理，漏点 2 又反冲刷第一根管子，同样的失效形式又引发了第 三泄漏点。但失效的形式还不能确定，仍需进一步分析。 2.2 化学成分检测 对炉管进行化学成分检测，结果见下表 1，炉管主要化学成 分符合《GB/T 699-2015 优质碳素钢》[3]的标准要求，排除钢材选 错的可能。
(本文文献格式：杨健．阴离子表面活性剂自动分析仪与传统手动 方法测定阴离子表面活性剂的比较[J]．广东化工，2019，46(13)： 179-180)
图 5 20x 断口图 Fig.5 20x Fracture map
(2)能谱分析：从裂纹断口的各种部位观测和分析能谱，大部 分都仅仅是只存在碳、氧、铁三种元素，如图 6。
(下转第 180 页)
· 180 ·
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2019 年 第 13 期 第 46 卷总第 399 期
由于阴离子表面活性剂自动分析仪在进行样品分析前需要较 长时间对系统进行校准以及预热等操作步骤，所以在少批量样品 分析时，传统手动方法依然是比较好的选择。
[1]水和废水监测分析方法/国家环境保护总局编，《水和废水监测分析方 法》编委会(第四版)北京：中国环境科学出版社，2002，12． [2]田永斌，柳淼，罗志华，亚甲蓝分光光度法测定水体阴离子表面活性剂 方法的探讨[J]．环境与发展，2011，23(8)：161-162． [3]GB/T7494-7987 水质阴离子表面活性剂的测定亚甲蓝分光光度法[S]． [4]奚文忠，张乐乐，郭少为，阴离子表面活性剂自动分析仪的研究[A]化 工自动化及仪表，2016(44)：542-544． [5]满燕燕，亚甲蓝分光光度法测定水中阴离子表面活性剂的方法研究[B] 地下水，2018，40(5)：74，153．
伸长率/% ＞25 29.2 26.8
2.4 金相组织分析 为了探寻失效原因，再对管材进行金相试验，将金相面分为
母材区、熔合线区、外壁裂纹区、内壁裂纹区、坡口缺陷区以及 外壁内壁裂纹的中间区六个区域，如图 4。
扩展，也是穿晶开裂；坡口缺陷区发现金相组织较为粗大，应是 受热应力影响而变粗大；裂纹中间区的金相组织正常，但部分晶 粒较为粗大，也是受焊接热影响导致。 2.5 扫描电镜和能谱分析
为了确认锅炉管材失效的原因，采用扫描电镜配以能谱对管 材进行分析。
(1)扫描电镜：将管材沿裂纹方向掰断，对断口金相电镜扫描。 从微观电镜图看，没有发现腐蚀垢物，如图 5。
图 4 金相面各区域分布图 Fig.4 Metallographic surface distribution map
在 500 倍下观察金相组织，母材区的晶粒细小，没有发现晶 粒粗大的区域，属于正常的珠光体+铁素体组织，这说明母材区的 金相组织并未受焊接的热影响；熔合线区在交界处晶粒粗大，并 没有影响到母材的组织结构；外壁裂纹区可以清晰发现穿晶裂纹， 但裂纹两边的金相组织正常，但没有腐蚀痕迹和蠕变空洞；内壁 裂纹区的金相组织有些被拉长，应是弯管时拉长的，没有向外壁
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设计与装备
锅炉水冷壁管爆管的原因
分析及应对策略研究
柯史壁
(中国石化集团茂名石油化工有限公司，广东 茂名 525000)
[摘 要]针对某石化厂锅炉水冷壁管爆管的事故案例，通过宏观检查、力学性能测试、成分检测、扫描电镜等对锅炉联箱部位失效炉管进行
精密性较高，相对偏差和相对标准偏差均比传统手动方法小。
表 3 标准样品测定结果
Tab.3 Standard Sample Determination Results
平行测定
1
2
3
4
5 平均值 最大允许相对偏差 标准偏差 相对标准偏差
阴离子表面活性剂分析仪 5.80 5.73 5.73 5.70 5.84 5.76
Keywords: boiler；water wall tube；squib；failure analysis；welding defect
锅炉在石化企业占有着重要的地位，是一种必不可少的设备， 其主要作用是将液态水转化成水蒸气[1]。由于锅炉是高温高压运 行，很容易就发生爆管事件，严重影响锅炉的使用，给企业带来 很大的损失[2]。
1 事故概述
某石化公司乙烯厂循环流化床锅炉于 2018 年 6 月 11 投用， 其中炉管规格为Φ50.8×4.19 mm，设计压力为 12~12.99 MPa，炉 膛燃烧平均床温为 800~900 ℃，汽包压力为 13 MPa，汽包壁温 330 ℃，主蒸汽流量 410 t/h。该锅炉于 2018 年 11 月 12 日发现泄 漏，累计运行了 5 个月，爆管处为联箱部位的弯头处和焊缝处位 置及其附近区域。另外，本次爆管也造成周边炉管多处不同程度 的减薄损伤。为了寻找炉管爆裂的原因，对爆管段进行了如下试
[中图分类号]TH
[文献标识码]A
[文章编号]1007-1865(2019)13-0165-02
Cause Analysis and Countermeasure Research on Tube Blasting of Boiler Water Wall Tube
Ke Shibi (Maoming Petroleum Chemical Ltd of SINOPEC, Maoming 525000, China)
2.3
0.065
1.12
传统手动方法
5.43 5.56 5.31 5.71 5.69 5.54
1.6
0.170
3.07
6 数据分析
参考文献
通过以上实验分析，可以发现阴离子表面活性剂自动分析仪 进行实验分析的测定结果准确性与国标方法相近，符合测定所要 求的精度，优于国标的人工测定方法。
7 结语
阴离子表面活性剂自动分析仪系统运行稳定性好，其准确性 与国标测定方法结果一致，也符合测定的精度要求，同时很大程 度上简化了实验操作过程和减少氯仿在萃取时的挥发，减少人工 操作存在的不稳定性，节省了测样时间，隔绝了氯仿等挥发性有 毒物质对实验人员的身体健康影响，适用于日常的大批量分析测 定。
表 1 化学成分分析表 Chemical composition analysis table
Mn
Ni
Cr
0.49
0.066
0.044
0.35~0.55
＜0.30
＜0.25
Mo 0.011
—
Cu 0.21 ＜0.25
2.3 力学性能测试 (1)硬度检测：从管段取样研磨抛光，如图 3。对管段进行硬
度测试，测量值(HL)在 427~465 之间，符合《GB/T 699-2015 优 质碳素钢》[3]的标准要求。
图 1 炉管形貌
[收稿日期] 2019-06-04 [作者简介] 柯史壁(1971-),男，工程师，主要从事锅炉运行工作。
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元素 炉管母材 标准值
C — 0.17~0.23
Tab.1
Si — 0.17~0.37
图 3 硬度测量点分布图 Fig.3 Hardness measurement point distribution map
(2)常温机械性能测试：在爆口附近取两件试样进行常温拉伸 试验，对比标准参数[4]，结果如表 2。由此证明管样的抗拉强度、
屈服强度以及伸长率都是符合标准的。
标准值 试样 1 试样 2
5 准确度和精密度试验
分别用两种方法对国家标准物质(5.63±0.51 mg/L)进行平行
测定五次，取其平均值并计算偏差，测定结果见表 3。
图 2 阴离子表面活性剂校准曲线
由表 3 可知。标准样品的五次平均测定值均在样品浓度范围 内，重复性良好，其中阴离子表面活性剂分析仪测定的五组数据
Fig.2 Calibration curve of anionic surfactant
检验，经上述实验结果综合分析，可知炉管的强度、硬度和元素成分均符合标准，金相组织也没有发生改变，但经电镜观察发现断口裂纹终端
存在分层坍塌的形貌，由此认为是因为焊接电流过大，引起的焊接接头裂纹，在高压作用下，裂纹扩展，最终导致水冷壁管爆裂。据此，提出
相应的解决方案和预防措施。
[关键词]锅炉；水冷壁管；爆管；失效分析；焊接缺陷
Abstract: In view of the accident case of water-cooled wall tube bursting of a petrochemical plant boiler, the failure of the boiler header box is tested by macroscopic inspection, mechanical property test, composition detection, scanning electron microscope, etc. The strength, hardness and elemental composition of the tube are in line with the standard, and the metallographic structure has not changed. However, the morphology of the fracture at the end of the fracture crack is observed by electron microscopy. It is considered that the welding joint is too large due to excessive welding current. Crack, under the action of high pressure, the crack spreads, eventually leading to bursting of the water wall tube. Based on this, the corresponding solutions and preventive measures are proposed.
试样厚度/mm — 5 5
试样宽度/mm — 10 10
表 2 拉伸试验结果表 Tab.2 Tensile test result table
原始标距/mm 断后延长/mm 屈服强度/MPa
—
—
245
75
21.9
260
75
20.1
240
抗拉强度/MPa 410 385 395
最大力/KN —
19.31 19.79
由表 1、图 1、表 2、图 2 可看出，以吸光度值与配置浓度值 进行曲线回归，，两种方法的吸光度与配置浓度都呈良好线性，
其中阴离子表面活性剂分析仪绘制的回归方程为 y=0.68x+0.036， 相 关 系 数 为 0.9999 ， 传 统 手 动 方 法 绘 制 的 回 归 方 程 为 y=0.5037x+0.0081，相关系数为 0.9990。
2 理化分析
2.1 宏观观察 首Βιβλιοθήκη Baidu对炉管进行宏观检查，发现失效炉管存在三处爆口，如
图 1，其中泄漏点 2 和泄漏点 3 的厚度明显减薄，且有外壁有冲 刷的迹象，爆口处十分锋利，据此可以断定炉管是先磨损后爆破 而发生泄漏；另外，爆口 1 的厚度几乎没有变化，应该是受内压 和外压作用而发生破裂，但是还不能确定是内压作用还是外压作 用而引起破裂。
Fig.1 Tube morphology 对爆口 1 周边进行检查，发现炉管外壁的焊接接头处存在一 条细小的裂纹，因此，将这个裂纹区域及失效部位切割下来，其 形貌如下图 2。对裂纹区进行清理，发现该裂纹在熔合线方向上， 而且内壁沿焊缝方向同样存在着断断续续的裂纹，但管内和管外 均没有结垢的现象。
图 2 外壁裂纹区与内壁裂纹区 Fig.2 Outer wall crack zone and inner wall crack zone 综合炉管的宏观形貌，可以知道漏点 1 是因某种原因在焊缝 处产生了裂纹，于是发生强度失效，在高温高压的运行工况下， 内部蒸汽冲破裂纹，引发泄露，外泄的高压蒸汽射在另一根管子 上(漏点 2)，将其表面冲刷出沟痕，使其厚度减薄，已不能承受管 内压力而破裂，所以外形呈喇叭状爆裂，破裂处呈刀刃形边缘。 同理，漏点 2 又反冲刷第一根管子，同样的失效形式又引发了第 三泄漏点。但失效的形式还不能确定，仍需进一步分析。 2.2 化学成分检测 对炉管进行化学成分检测，结果见下表 1，炉管主要化学成 分符合《GB/T 699-2015 优质碳素钢》[3]的标准要求，排除钢材选 错的可能。
(本文文献格式：杨健．阴离子表面活性剂自动分析仪与传统手动 方法测定阴离子表面活性剂的比较[J]．广东化工，2019，46(13)： 179-180)
图 5 20x 断口图 Fig.5 20x Fracture map
(2)能谱分析：从裂纹断口的各种部位观测和分析能谱，大部 分都仅仅是只存在碳、氧、铁三种元素，如图 6。
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由于阴离子表面活性剂自动分析仪在进行样品分析前需要较 长时间对系统进行校准以及预热等操作步骤，所以在少批量样品 分析时，传统手动方法依然是比较好的选择。
[1]水和废水监测分析方法/国家环境保护总局编，《水和废水监测分析方 法》编委会(第四版)北京：中国环境科学出版社，2002，12． [2]田永斌，柳淼，罗志华，亚甲蓝分光光度法测定水体阴离子表面活性剂 方法的探讨[J]．环境与发展，2011，23(8)：161-162． [3]GB/T7494-7987 水质阴离子表面活性剂的测定亚甲蓝分光光度法[S]． [4]奚文忠，张乐乐，郭少为，阴离子表面活性剂自动分析仪的研究[A]化 工自动化及仪表，2016(44)：542-544． [5]满燕燕，亚甲蓝分光光度法测定水中阴离子表面活性剂的方法研究[B] 地下水，2018，40(5)：74，153．
伸长率/% ＞25 29.2 26.8
2.4 金相组织分析 为了探寻失效原因，再对管材进行金相试验，将金相面分为
母材区、熔合线区、外壁裂纹区、内壁裂纹区、坡口缺陷区以及 外壁内壁裂纹的中间区六个区域，如图 4。
扩展，也是穿晶开裂；坡口缺陷区发现金相组织较为粗大，应是 受热应力影响而变粗大；裂纹中间区的金相组织正常，但部分晶 粒较为粗大，也是受焊接热影响导致。 2.5 扫描电镜和能谱分析
为了确认锅炉管材失效的原因，采用扫描电镜配以能谱对管 材进行分析。
(1)扫描电镜：将管材沿裂纹方向掰断，对断口金相电镜扫描。 从微观电镜图看，没有发现腐蚀垢物，如图 5。
图 4 金相面各区域分布图 Fig.4 Metallographic surface distribution map
在 500 倍下观察金相组织，母材区的晶粒细小，没有发现晶 粒粗大的区域，属于正常的珠光体+铁素体组织，这说明母材区的 金相组织并未受焊接的热影响；熔合线区在交界处晶粒粗大，并 没有影响到母材的组织结构；外壁裂纹区可以清晰发现穿晶裂纹， 但裂纹两边的金相组织正常，但没有腐蚀痕迹和蠕变空洞；内壁 裂纹区的金相组织有些被拉长，应是弯管时拉长的，没有向外壁
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锅炉水冷壁管爆管的原因
分析及应对策略研究
柯史壁
(中国石化集团茂名石油化工有限公司，广东 茂名 525000)
[摘 要]针对某石化厂锅炉水冷壁管爆管的事故案例，通过宏观检查、力学性能测试、成分检测、扫描电镜等对锅炉联箱部位失效炉管进行
精密性较高，相对偏差和相对标准偏差均比传统手动方法小。
表 3 标准样品测定结果
Tab.3 Standard Sample Determination Results
平行测定
1
2
3
4
5 平均值 最大允许相对偏差 标准偏差 相对标准偏差
阴离子表面活性剂分析仪 5.80 5.73 5.73 5.70 5.84 5.76
Keywords: boiler；water wall tube；squib；failure analysis；welding defect
锅炉在石化企业占有着重要的地位，是一种必不可少的设备， 其主要作用是将液态水转化成水蒸气[1]。由于锅炉是高温高压运 行，很容易就发生爆管事件，严重影响锅炉的使用，给企业带来 很大的损失[2]。
1 事故概述
某石化公司乙烯厂循环流化床锅炉于 2018 年 6 月 11 投用， 其中炉管规格为Φ50.8×4.19 mm，设计压力为 12~12.99 MPa，炉 膛燃烧平均床温为 800~900 ℃，汽包压力为 13 MPa，汽包壁温 330 ℃，主蒸汽流量 410 t/h。该锅炉于 2018 年 11 月 12 日发现泄 漏，累计运行了 5 个月，爆管处为联箱部位的弯头处和焊缝处位 置及其附近区域。另外，本次爆管也造成周边炉管多处不同程度 的减薄损伤。为了寻找炉管爆裂的原因，对爆管段进行了如下试
[中图分类号]TH
[文献标识码]A
[文章编号]1007-1865(2019)13-0165-02
Cause Analysis and Countermeasure Research on Tube Blasting of Boiler Water Wall Tube
Ke Shibi (Maoming Petroleum Chemical Ltd of SINOPEC, Maoming 525000, China)
2.3
0.065
1.12
传统手动方法
5.43 5.56 5.31 5.71 5.69 5.54
1.6
0.170
3.07
6 数据分析
参考文献
通过以上实验分析，可以发现阴离子表面活性剂自动分析仪 进行实验分析的测定结果准确性与国标方法相近，符合测定所要 求的精度，优于国标的人工测定方法。
7 结语
阴离子表面活性剂自动分析仪系统运行稳定性好，其准确性 与国标测定方法结果一致，也符合测定的精度要求，同时很大程 度上简化了实验操作过程和减少氯仿在萃取时的挥发，减少人工 操作存在的不稳定性，节省了测样时间，隔绝了氯仿等挥发性有 毒物质对实验人员的身体健康影响，适用于日常的大批量分析测 定。
表 1 化学成分分析表 Chemical composition analysis table
Mn
Ni
Cr
0.49
0.066
0.044
0.35~0.55
＜0.30
＜0.25
Mo 0.011
—
Cu 0.21 ＜0.25
2.3 力学性能测试 (1)硬度检测：从管段取样研磨抛光，如图 3。对管段进行硬
度测试，测量值(HL)在 427~465 之间，符合《GB/T 699-2015 优 质碳素钢》[3]的标准要求。
图 1 炉管形貌
[收稿日期] 2019-06-04 [作者简介] 柯史壁(1971-),男，工程师，主要从事锅炉运行工作。
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元素 炉管母材 标准值
C — 0.17~0.23
Tab.1
Si — 0.17~0.37
图 3 硬度测量点分布图 Fig.3 Hardness measurement point distribution map
(2)常温机械性能测试：在爆口附近取两件试样进行常温拉伸 试验，对比标准参数[4]，结果如表 2。由此证明管样的抗拉强度、
屈服强度以及伸长率都是符合标准的。
标准值 试样 1 试样 2
5 准确度和精密度试验
分别用两种方法对国家标准物质(5.63±0.51 mg/L)进行平行
测定五次，取其平均值并计算偏差，测定结果见表 3。
图 2 阴离子表面活性剂校准曲线
由表 3 可知。标准样品的五次平均测定值均在样品浓度范围 内，重复性良好，其中阴离子表面活性剂分析仪测定的五组数据
Fig.2 Calibration curve of anionic surfactant
检验，经上述实验结果综合分析，可知炉管的强度、硬度和元素成分均符合标准，金相组织也没有发生改变，但经电镜观察发现断口裂纹终端
存在分层坍塌的形貌，由此认为是因为焊接电流过大，引起的焊接接头裂纹，在高压作用下，裂纹扩展，最终导致水冷壁管爆裂。据此，提出
相应的解决方案和预防措施。
[关键词]锅炉；水冷壁管；爆管；失效分析；焊接缺陷
Abstract: In view of the accident case of water-cooled wall tube bursting of a petrochemical plant boiler, the failure of the boiler header box is tested by macroscopic inspection, mechanical property test, composition detection, scanning electron microscope, etc. The strength, hardness and elemental composition of the tube are in line with the standard, and the metallographic structure has not changed. However, the morphology of the fracture at the end of the fracture crack is observed by electron microscopy. It is considered that the welding joint is too large due to excessive welding current. Crack, under the action of high pressure, the crack spreads, eventually leading to bursting of the water wall tube. Based on this, the corresponding solutions and preventive measures are proposed.
试样厚度/mm — 5 5
试样宽度/mm — 10 10
表 2 拉伸试验结果表 Tab.2 Tensile test result table
原始标距/mm 断后延长/mm 屈服强度/MPa
—
—
245
75
21.9
260
75
20.1
240
抗拉强度/MPa 410 385 395
最大力/KN —
19.31 19.79
由表 1、图 1、表 2、图 2 可看出，以吸光度值与配置浓度值 进行曲线回归，，两种方法的吸光度与配置浓度都呈良好线性，
其中阴离子表面活性剂分析仪绘制的回归方程为 y=0.68x+0.036， 相 关 系 数 为 0.9999 ， 传 统 手 动 方 法 绘 制 的 回 归 方 程 为 y=0.5037x+0.0081，相关系数为 0.9990。