王明庭 趙 斌 劉景新 王會(huì)權(quán)

（1.華北理工大學(xué) 唐山 063000）

（2.唐山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 唐山 063000）

50MW燃?xì)忮仩t水冷壁爆管分析

王明庭1，2趙 斌1劉景新2王會(huì)權(quán)2

（1.華北理工大學(xué) 唐山 063000）

（2.唐山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 唐山 063000）

兩臺(tái)50MW燃?xì)鈾C(jī)組鍋爐新裝投運(yùn)一年后水冷壁管頻繁發(fā)生爆管，爆口位置在高負(fù)荷區(qū)，爆口形貌呈“開窗式”破裂。通過資料查閱、宏觀檢查、金相分析、硬度測(cè)定、化學(xué)成分分析、掃描電鏡等方法對(duì)水冷壁管進(jìn)行分析，結(jié)果表明，垢下腐蝕和氫腐蝕是導(dǎo)致水冷壁管失效的直接原因，汽水品質(zhì)差是造成水冷壁頻繁爆管的根本原因，長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行加劇了水冷壁管爆管的發(fā)生。

水冷壁管 爆管 垢下腐蝕 氫腐蝕

由于效益可觀，近年來各企業(yè)紛紛上馬自備電廠，配套的電站鍋爐以大容量、高參類型為主。這些鍋爐性能復(fù)雜，要求的管理技術(shù)難度大，而自備電廠管理相對(duì)落后、人員素質(zhì)偏低，二者之間的矛盾導(dǎo)致自備電廠高參數(shù)鍋爐頻頻發(fā)生水冷壁爆管事故。垢下腐蝕和氫腐蝕是導(dǎo)致高壓及以上鍋爐水冷壁失效的最主要原因。通過現(xiàn)象看本質(zhì)，找出頻繁爆管水冷壁失效的根本原因，指導(dǎo)電廠減少爆管事故，提高鍋爐機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 事故概況

某鋼鐵企業(yè)自備電廠，兩臺(tái)同型號(hào)220t/h的3#和4#電站鍋爐分別于2012年4月、2012年8月新裝后投入運(yùn)行，在2013年12月至2014年7月時(shí)間里，兩臺(tái)鍋爐先后多次發(fā)生水冷壁爆管事故。水冷壁規(guī)格φ60×5mm、材質(zhì)20G。鍋爐主蒸汽壓力9.81MPa，主蒸汽溫度540℃，燃料為高爐煤氣，燃燒方式為前后墻對(duì)沖，減溫器采用二級(jí)噴水減溫，設(shè)計(jì)給水溫度215℃，汽輪機(jī)型式為冷凝式，采用熱力除氧，水處理裝置為混床加反滲透，兩臺(tái)鍋爐為同一水處理系統(tǒng)，除安裝單位不同外，兩臺(tái)鍋爐的配置均相同。

3#鍋爐，2013年12月19日，四周水冷壁均有爆管；2014年06月17日：水冷壁左右側(cè)墻各爆管1根，后墻爆管3根；2014年07月03日：水冷壁前墻爆管4根；爆口位置：相對(duì)一、二層燃燒器標(biāo)高位置。

4#鍋爐，2013年12月21日，水冷壁右側(cè)墻爆管2根；2014年01月02日，水冷壁爆管25根；2014年04月18日，水冷壁前墻爆管1根；爆口位置：相對(duì)一、二層燃燒器標(biāo)高位置。

2 事故分析

2.1 運(yùn)行異常記錄

查閱事故記錄，該廠曾出現(xiàn)過頻繁停電，而鍋爐的輔助系統(tǒng)沒有備用電源，致使鍋爐出現(xiàn)非正常的緊急停爐。查閱上次外檢報(bào)告顯示，鍋爐運(yùn)行時(shí)水處理系統(tǒng)中除氧器運(yùn)行溫度為80℃左右，處于非正常狀態(tài)。另外通過現(xiàn)場(chǎng)人員介紹，鍋爐有長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行情況，負(fù)荷基本保持額定負(fù)荷的50%以下的約半年，運(yùn)行期間的記錄表單不能提供，操作盤面的歷史趨勢(shì)只顯示最近一個(gè)月的運(yùn)行趨勢(shì)。

2.2 宏觀檢查

在多次的爆管事故中，兩臺(tái)鍋爐的爆口形貌和爆口位置類似。爆口位置處于燃燒器標(biāo)高處至燃燒器上方2m左右范圍內(nèi)，屬于爐膛熱負(fù)荷高的密相區(qū)。爆口位置發(fā)生在管子向火側(cè)，多數(shù)開口位置出現(xiàn)在管子與模式壁鰭片連接邊緣部位的母材側(cè)、沿著管子縱向、呈“開窗式”破裂，見圖1。

圖1 爐膛水冷壁現(xiàn)場(chǎng)取樣外觀與內(nèi)表面

爆口邊緣縱向或橫向普遍伴有腐蝕凹坑，凹坑的大小、深度不一，腐蝕坑均發(fā)生在向火側(cè)，背火側(cè)未見明顯的腐蝕坑。管子內(nèi)表面呈紅色，部分管壁可見結(jié)垢現(xiàn)象。爆口邊緣未見明顯減薄，呈脆性破壞性斷裂，排除因短時(shí)過熱失效；爐膛四周水冷壁管排排列整齊，未見異常變形，排除大面積缺水造成的爆管事故；宏觀檢查符合氫腐蝕形貌特征［1］。

2.3 金相分析

通過對(duì)3#、4#爐爆管部位及臨近爆管部位的外觀完好的管子分別取樣進(jìn)行金相組織分析。臨近爆口部位區(qū)域管材取樣進(jìn)行金相組織分析結(jié)果如圖2所示，其晶界清晰，可見珠光體未見球化，晶粒度大小正常。可排除整體過熱導(dǎo)致的失效爆管。

圖2 臨近爆口部位金相

對(duì)爆口最嚴(yán)重處截取試樣進(jìn)行金相組織分析，在爆口開裂處的宏觀金相視野內(nèi)，珠光體組織正常，未見球化現(xiàn)象，斷裂處材料沒有明顯劣化，由此可判斷為脆性斷裂，如圖3所示；縱、橫斷口邊緣組織均發(fā)生了晶間損傷，且有延晶開裂現(xiàn)象。

圖3 爆口開裂處金相

2.4 硬度測(cè)定

對(duì)取樣管向火側(cè)、背火側(cè)管壁分別進(jìn)行硬度測(cè)定。向火側(cè)硬度值在135HB至152HB之間，背火側(cè)硬度值在115HB至130HB之間，滿足《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》20#鋼硬度值的控制范圍為106～159HB的要求。由硬度測(cè)定可知，水冷壁管材質(zhì)硬度正常，與金相檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果一致。

2.5 化學(xué)成分分析

依據(jù)GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)取樣管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，具體結(jié)果見表1。

表1 樣管的化學(xué)成分

2.6 掃描電鏡及能譜分析

為了進(jìn)一步確認(rèn)腐蝕坑殘留物成分和斷口處的晶間損傷情況，進(jìn)行了掃描電鏡分析，圖4是斷口部位附近進(jìn)行的人造拉伸斷口低倍形貌圖，可見斷口中密集分布有二次裂紋，可判斷為“高溫應(yīng)力蠕變龜裂”或“應(yīng)力腐蝕疲勞破壞”。圖5為人造拉伸斷口處測(cè)得的內(nèi)壁腐蝕層能譜圖，圖6為斷口處元素定量能譜圖，表2為與圖6對(duì)應(yīng)的元素定量分析結(jié)果表。從圖6和表2中可以看出：腐蝕層殘留物氧元素含量61.97%、鐵29.67%，說明最終腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3和部分MgCl2鹽類。Fe2O3不溶于酸性介質(zhì)，結(jié)合管子爆口邊緣紅色的氧化層腐蝕物，可以推斷該管子爆口邊界處在酸性環(huán)境中，屬于酸腐蝕失效，鍋爐給水pH值一般較低。能譜分析結(jié)果顯示，管子腐蝕產(chǎn)物中有MgCl2鹽類，可以推斷水冷壁管失效環(huán)境中水質(zhì)硬度偏高。由此可見，鍋爐水冷壁爆管前水質(zhì)狀況較差［2］。

圖4 斷口部位掃描電鏡

圖5 斷口處元素定量能譜圖

圖6 斷口能譜元素定量分析結(jié)果

表2 對(duì)應(yīng)的元素定量分析結(jié)果表

2.7 化學(xué)監(jiān)督分析

連續(xù)發(fā)生爆管事故后，原來鍋爐運(yùn)行人員和化學(xué)監(jiān)督人員已被辭退，新上崗人員不能提供原來鍋爐運(yùn)行表單和水質(zhì)化驗(yàn)記錄表單。本次查閱了當(dāng)?shù)貦z驗(yàn)機(jī)構(gòu)在2014年10月出具的鍋爐水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告顯示，鍋爐給水、爐水和過熱蒸汽品質(zhì)滿足要求，爐水的含氧量、pH值、電導(dǎo)率均在規(guī)定要求的范圍內(nèi)。但是，查閱了屬于同一給水系統(tǒng)的5#鍋爐于2014年4月檢驗(yàn)完成的鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告中記錄“鍋筒內(nèi)表面布滿水垢，呈乳白色軟垢，最厚處約1.5mm，部分旋風(fēng)筒傾倒、移位；減溫器內(nèi)部布滿水垢，較嚴(yán)重，呈白色硬垢”，這說明3#、4#鍋爐水冷壁爆管期間水質(zhì)狀況較差。另外，查閱2013年度該爐外檢報(bào)告顯示“除氧器運(yùn)行溫度為80℃左右，處于非正常狀態(tài)正常工作狀態(tài)”，說明當(dāng)時(shí)鍋爐水處理系統(tǒng)不正常。

2.8 缺陷原因分析

宏觀檢查，縱向或橫向斷裂處均伴有不同程度的潰瘍狀腐蝕坑。爆口邊緣，呈脆性破壞性斷裂狀態(tài)；從爆口形狀看，屬于典型的氫腐蝕形貌特征。

材料成分正常，對(duì)管子完好部位進(jìn)行取樣的金屬組織正常，硬度值在正常范圍，排除大面積長(zhǎng)期過熱；爆口開裂處的宏觀金相視野內(nèi)，珠光體組織正常，由此也可推斷為脆性斷裂。

能譜分析的元素定量分析結(jié)果表明腐蝕層殘留物主要為Fe2O3和部分MgCl2鹽類，推斷爆口處環(huán)境為酸性環(huán)境且水質(zhì)硬度偏高，結(jié)合化學(xué)監(jiān)督分析的水處理系統(tǒng)不正常和宏觀檢查的爆口邊緣布滿腐蝕坑的情況，可以判斷水冷壁管存在垢下腐蝕現(xiàn)象，同時(shí)滿足酸性環(huán)境下氫腐蝕的腐蝕機(jī)理特點(diǎn)。

水冷壁管失效部位集中在熱輸入（熱流密度）高的部位，正是發(fā)生氫腐蝕的必要條件［3］。

3 檢驗(yàn)結(jié)論

垢下腐蝕和氫腐蝕是導(dǎo)致水冷壁管失效的直接原因，汽水品質(zhì)差是造成水冷壁頻繁爆管的根本原因，長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行加劇了水冷壁管爆管的發(fā)生。

加強(qiáng)化學(xué)監(jiān)督，完善化學(xué)監(jiān)督的各項(xiàng)規(guī)章制度，嚴(yán)格執(zhí)行電站鍋爐水汽質(zhì)量的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鍋爐水汽質(zhì)量異常時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照GB/T 12145《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》中規(guī)定的水汽異常三級(jí)處理原則處理，做好異常情況記錄，并且盡快查明原因，消除缺陷，恢復(fù)正常［4］。如果不能恢復(fù)并且威脅設(shè)備安全時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即采取措施，直至停止運(yùn)行。

在條件允許時(shí)對(duì)類似區(qū)域的水冷壁管進(jìn)行全面檢查，對(duì)存在較大隱患的水冷壁進(jìn)行更換。盡快為輔助系統(tǒng)安裝備用電源，除氧器系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常，條件允許時(shí)檢查省煤器的氧腐蝕狀況，同時(shí)避免長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行。

［1］ 王來，馬海濤，韓雙起，等.熱電廠鍋爐水冷壁管爆管泄漏原因分析［J］.金屬熱處理，2011，36（09）：36-40.

［2］ 郭林海.熱電廠水冷壁管氫腐蝕失效及裂紋愈合地研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2014.

［3］ 崔侖，孫凱，陳俊峰.電站鍋爐水冷壁管的氫腐蝕［J］.吉林電力，2001，5（174）：40-43.

［4］ GB/T 12145—2008 火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量［S］.

由此可知，此自動(dòng)扶梯的空載下行制停距離范圍為：0.20m ～ 0.45m。在定期檢驗(yàn)或者維護(hù)保養(yǎng)工作中，如果測(cè)得空載下行制停距離超過0.45m，則需調(diào)整制動(dòng)力或者在條件允許的情況下驗(yàn)證有載下行制停距離是否符合要求。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)自動(dòng)扶梯制動(dòng)力與制動(dòng)距離的分析，推理出自動(dòng)扶梯空載和有載兩種工況下制動(dòng)距離關(guān)系，從而獲得了覆蓋有載工況的空載制停距離范圍，在維護(hù)保養(yǎng)和定期檢驗(yàn)工作中，此范圍相比GB 16899—2011中規(guī)定的范圍更具實(shí)際意義。不過由于測(cè)量誤差的存在，此范圍僅能作為空載下行制停距離是否符合要求的參考，并不能作為是否合格的條件，空、有載下行制停距離關(guān)系的誤差分析可作為進(jìn)一步的研究方向。

參考文獻(xiàn)

［1］ GB 16899—2011 自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范［S］.

［2］ TSG T7005—2012 電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道［S］.

［3］ 王亞珍. 電梯技術(shù)與安全使用指南［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：71-75.

［江蘇省特檢院科技項(xiàng)目：KJ（Y）2015014］

Analysis of Water Wall Tube Explosion in 50MW Gas Fired Boiler

Wang Mingting1，2Zhao Bin1Liu Jingxin2Wang Huiquan2
（1. North China University of Science and Technology Tangshan 063000）
（2. Tangshan City Special Equipment Supervision and Inspection Institute Tangshan 063000）

Two 50MW gas fred boiler installed and put into operation one year after water wall tube frequent burst pipes， with burst mouth position in high load area， and explosive morphology was "open window" rupture. Through data access， macroscopic examination， metallographic analysis， hardness testing， chemical composition analysis， scanning electron microscope method， water wall tube were analyzed， the results showed that underdeposit corrosion and hydrogen corrosion was the direct cause of the failure of the water wall tube， the bad quality of steam water was the root cause of water cooling wall tube bursting frequently， long-term low load operation aggravated the water wall tube burst pipe.

Water wall tube Tube explosion Under-deposit corrosion Hydrogen corrosion

X933.2

B

1673-257X（2016）10-0048-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.012

王明庭（1978～），男，本科，高級(jí)工程師，從事電站鍋爐檢驗(yàn)工作。

2016-05-27）