锅炉水冷壁爆管原因分析

锅炉水冷壁爆管原因分析

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57×34mm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3.82MPa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0.18mm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..82MPa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