王小林

(西安鐵路局特種設(shè)備檢驗所，陜西 西安 710054)

一例燃煤熱水鍋爐水冷壁管開裂原因分析與預(yù)防措施

王小林

(西安鐵路局特種設(shè)備檢驗所，陜西 西安 710054)

針對一起燃煤熱水鍋爐水冷壁管開裂的案例，基于該水冷壁管的化學成分、顯微組織、硬度檢測，并結(jié)合鍋爐運行情況，綜合分析了其開裂原因，并提出了相關(guān)預(yù)防措施與建議。結(jié)果表明：鍋爐運行期間，熱水鍋爐管網(wǎng)泄漏，為維持鍋爐的正常運行，作業(yè)人員違規(guī)向鍋爐內(nèi)大量補進水質(zhì)超標的原水，以致水冷壁管大量結(jié)垢而超溫運行，管體的組織、性能劣化，導致水冷壁管開裂。

燃煤熱水鍋爐；水冷壁管；開裂原因；超溫運行；預(yù)防措施

我國陜北某鐵路地區(qū)一燃煤熱水鍋爐于冬季運行期間，暖氣主管道突發(fā)開裂漏水，致使鍋爐缺水，鍋爐用水量驟然增大。為了不影響該地區(qū)居民工作及生活取暖，供暖單位采取了非常規(guī)的操作方法，用原水直接作為補給水以維持鍋爐的正常運行，但在一個采暖期后，例行檢驗時發(fā)現(xiàn)爐膛內(nèi)右側(cè)前數(shù)第2、8根水冷壁管已被燒損、開裂，嚴重影響鍋爐的安全運行，故鍋爐被迫停爐。

針對此鍋爐實際運行中出現(xiàn)的該具體問題，本文擬從水冷壁管開裂處材質(zhì)的化學成分、宏觀形貌、顯微組織、硬度等方面，并配以水質(zhì)分析，綜合研究其開裂的原因，并提出切實可行的預(yù)防措施與建議。

1 試驗材料與方法

試驗材料為對某燃煤熱水鍋爐例行內(nèi)部檢驗時發(fā)現(xiàn)的已開裂水冷壁管，該鍋爐型號為DZL2.8-0.69/95/70-AⅡ，制造安裝于2001年5月，同年11月起投入使用，其已開裂水冷壁管所采用的材料牌號為20G。依據(jù)相關(guān)國標[1]，從材料為20G的水冷壁管開裂處制取化學分析試樣并進行成分分析。

選用Canon EOS 600D型數(shù)碼相機對水冷壁管開裂處進行宏觀形貌觀察，并配合TT130型測厚儀對裂紋邊緣與正常管體處進行厚度測量；分別選用Olympus-DSX500i型光學數(shù)碼顯微鏡、TH608型數(shù)顯布氏硬度計對正常管子與裂紋處的顯微組織進行觀察并檢測硬度；另外采用EDTA絡(luò)合滴定法與pHSJ-5型試驗室pH計對原水及鍋爐用水的水質(zhì)進行分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 化學成分分析

對20G水冷壁管裂紋處成分進行分析，結(jié)果見表1。可知，除元素C含量小于標準規(guī)定的下限外，其余元素均符合標準[2]要求。

表1 試驗20G水冷壁管裂紋處化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2.2 宏觀形貌

圖1所示為該鍋爐爐膛內(nèi)局部水冷壁管的宏觀形貌及水垢情況。由圖1(a)可見其外表面已有異狀，表現(xiàn)為過熱現(xiàn)象，另外，錘擊時管體聲音發(fā)悶，并無錘擊金屬時的反彈現(xiàn)象，且有薄片狀物質(zhì)脫落；由圖1(b)即管體裂紋內(nèi)表面可知，該縱向裂紋長度達35.00 mm；由圖1(c)可清楚看到割管后，管道內(nèi)部水垢較厚已達2.0 mm，局部厚度甚至超過15 mm，覆蓋面達80 %。

(a)外表面；(b)內(nèi)表面；(c)管內(nèi)水垢圖1 水冷壁管開裂處的宏觀形貌及水垢情況

利用TT130型測厚儀對水冷壁管裂紋邊緣處與正常管體區(qū)域各取3點進行壁厚測量，結(jié)果見表2，正常管體平均厚度為3.30 mm，而裂紋邊緣處平均厚度為2.21 mm，比運行一定時間后正常厚度減小了33.03 %。查閱出廠資料，對應(yīng)水冷壁管的設(shè)計壁厚為3.50 mm，對比知僅運行了一個采暖期后，正常管體僅減薄了5.71 %，而裂紋處減薄了36.86 %，可見裂紋處氧化物脫落現(xiàn)象甚為顯著。

表2 水冷壁管裂紋邊緣處與正常管體處壁厚

2.3 顯微組織觀察

在管體正常位置及裂紋處分別切取試樣，經(jīng)研磨、拋光后，選用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精試劑對試樣進行蝕刻及后續(xù)處理后，其顯微組織見圖2。

由圖2(a)知，正常管體處顯微組織為片狀珠光體+鐵素體，并未發(fā)生珠光體球化現(xiàn)象。另外，20G管的供貨態(tài)為熱軋狀態(tài)，故其珠光體組織的帶狀形貌清晰可見。而由圖2(b)即裂紋處組織可知，主要組織雖仍為珠光體+鐵素體，但組織明顯粗化，另外，珠光體中的碳化物已不再呈片層狀，大部分的球狀碳化物已聚集在晶界，其余部分分散在鐵素體基體上，參考評級標準[3]。

(a)管體正常區(qū)域；(b)管體裂紋處圖2 水冷壁管顯微組織照片

2.4 室溫機械性能檢測

為了解管體裂紋處與正常管體的室溫機械性能差異，分別于每處選取5個測點取平均值，對其進行布氏硬度檢測，結(jié)果見圖3。由圖3可知，正常管體處硬度基本符合要求，而裂紋處硬度僅為105，比正常部位降低了30.46 %。而根據(jù)經(jīng)驗式σb=k HB[4]可知，材料的布氏硬度與抗拉強度之間呈正比關(guān)系，故，在材料同為20G的前提下，裂紋處強度遠遠弱于正常管體處，可見20G管開裂處性能劣化現(xiàn)象顯著。

圖3 試驗用水冷壁管布氏硬度結(jié)果

2.5 水質(zhì)分析

由于該供暖單位在出現(xiàn)突發(fā)狀況時，水處理器制水能力有限，特殊情況下向鍋爐內(nèi)補給了原水，事后對水質(zhì)進行了分析，結(jié)果見表3。由表中數(shù)據(jù)可知，使用未經(jīng)處理的原水向鍋爐進水，已使鍋爐給水水質(zhì)超標，并未滿足相關(guān)標準[5]要求。

表3 水質(zhì)分析

3 原因分析與建議

20G管在服役期間，允許金屬壁溫不超過450 ℃，而該鍋爐正常運行情況下，金屬壁溫低于280 ℃，當受熱面無垢時，金屬受熱后可快速將熱量傳遞給水，二者溫差約30 ℃，可見20G管可滿足要求。

經(jīng)了解情況，在該地區(qū)采暖期間，因管網(wǎng)故障，為維持鍋爐正常運行，單位并未嚴格執(zhí)行國家標準要求，向鍋爐內(nèi)補給了水質(zhì)嚴重超標的原水，致使水垢結(jié)生較快。水垢是熱的不良導體，當工作壓力為1 MPa時，鍋爐受熱面結(jié)生水垢每增厚1 mm，金屬壁與水間溫差約200 ℃。由圖1(c)知，此時，該水冷壁管溫度已超500 ℃，遠遠超過了它的允許溫度上限，也就是說，它在開裂前屬于超溫運行。因此，在壓力作用下，其顯微組織已明顯球化，表現(xiàn)為過熱現(xiàn)象，且硬度等室溫機械性能大幅下降，終使爐門附近的水冷壁管開裂。

針對此問題，提出以下預(yù)防措施與建議：

(1)在采暖期到來前，提前對鍋爐管網(wǎng)進行檢查、試壓、整修，發(fā)現(xiàn)問題及早處理，以免給鍋爐的運行帶來安全隱患；

(2)在鍋爐運行時，加強巡視檢查，發(fā)現(xiàn)異常問題時，要及時停爐，判明鍋爐故障原因并采取正確的處置方法，以防事態(tài)擴大；

(3)完善鍋爐的應(yīng)急處置預(yù)案并開展有針對性的應(yīng)急演練工作；

(4)鍋爐水質(zhì)出現(xiàn)異常情況時，要嚴格執(zhí)行國家標準，及時采取鍋內(nèi)水處理方法，杜絕水質(zhì)超標現(xiàn)象的發(fā)生；

(5)鍋爐受壓元件開裂后，要及時查清原因，并組織專業(yè)力量進行修復(fù)，確保鍋爐的安全運行。

[1] 全國鋼標準化技術(shù)委員會.GB/T 20066-2006 鋼和鐵 化學成分測定用試樣的取樣和制樣方法[S].北京:中國標準出版社,2006.

[2] 全國鋼標準化技術(shù)委員會.GB 5310-2008 高壓鍋爐用無縫鋼管[S].北京:中國標準出版社,2008.

[3] 國家電力公司電站金屬材料標準化技術(shù)委員會.DL/T 674-1999 火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準[S].北京:中國電力出版社,1999.

[4] 匡震邦, 顧海澄, 李中華.材料的力學行為[M].北京：高等教育出版社，1998:97-105.

[5] 全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會.GB/T 1576-2008 工業(yè)鍋爐水質(zhì)[S].北京:中國標準出版社,2009.

(本文文獻格式：王小林.一例燃煤熱水鍋爐水冷壁管開裂原因分析與預(yù)防措施[J].山東化工,2017,46(5):102-103.)

2017-01-25

王小林(1965—)，男，陜西寶雞人，工程師。

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1008-021X(2017)05-0102-02