冉朋超

摘 要：某石化公司燃煤鍋爐的過(guò)熱管發(fā)生爆裂，本文采用宏觀觀察、材質(zhì)分析及金相檢驗(yàn)等方法，對(duì)爆管的原因進(jìn)行了檢測(cè)分析，結(jié)果表明，爆管的主要原因是由于過(guò)熱管長(zhǎng)期再高溫高壓下運(yùn)行，導(dǎo)致管壁組織中珠光體的球化，進(jìn)而爐管強(qiáng)度下降發(fā)生爆管。建議嚴(yán)格控制鍋爐運(yùn)行溫度和壓力以及加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵部位爐管的檢驗(yàn)監(jiān)督，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)隱患，以防止過(guò)熱器管爆裂事故的再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐;過(guò)熱管;爆管;珠光體球化

1 背景

某石化公司35t燃煤鍋爐（3#鍋爐）的兩根過(guò)熱器管發(fā)生了爆裂，過(guò)熱器管材質(zhì)為20G鋼，爐管規(guī)格為Φ38×3.5mm;管內(nèi)介質(zhì)為中壓蒸汽，溫度/操作壓力為435℃/3.5～3.6MPa，爐內(nèi)火焰溫度600～700℃。為了對(duì)爆管原因進(jìn)行分析，特進(jìn)行了一系列的檢測(cè)工作。

2 檢測(cè)分析

2.1 宏觀觀察

①選取的過(guò)熱器管爆口最長(zhǎng)處約100mm，爆口中間最寬度大約55mm;

②爆口處管壁明顯地脹粗，爆口邊緣較薄，爆口呈“魚嘴狀”;

③爆口附近管子外壁附著很厚的棕色氧化皮，氧化皮上有大量的縱向裂紋，呈現(xiàn)“老樹皮狀”，見圖2-1。

④在距離爆口大約200mm處橫向切管，該處爐管外徑接近50mm，超聲測(cè)厚檢測(cè)發(fā)現(xiàn)發(fā)生蠕脹的管段剩余壁厚僅為1.5mm，有明顯減薄。管子內(nèi)、外壁有氧化皮附著，外壁氧化皮很厚達(dá)到2mm以上，內(nèi)壁氧化皮也有0.5mm左右。

2.2 金相檢驗(yàn)

將過(guò)熱器管爆口處橫向切開，取橫向截面金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、4%硝酸酒精溶液腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。并依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)過(guò)熱器管的管壁組織進(jìn)行球化評(píng)級(jí)。

在過(guò)熱器管爆口邊緣處，管壁金相組織為：

①鐵素體+碳化物（球狀）;

②珠光體球化5級(jí);

③管壁塑變，晶粒被拉長(zhǎng)，晶界聚集著碳化物顆粒、并有蠕變孔洞及裂紋存在;

④爆口處管子內(nèi)外壁均有很厚的氧化皮存在，見圖2-2。

2.3 材質(zhì)分析

分別從爆裂的過(guò)熱器管（第8根）和完好過(guò)熱器管上取塊狀樣品，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用光譜儀等，對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果表明，過(guò)熱器管材質(zhì)化學(xué)成分符合GB5310-2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》中20G鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，見表2-1。

3 分析與討論

一般來(lái)說(shuō)，20號(hào)鋼主要用于管壁溫度不超過(guò)450℃的鍋爐受熱面管（水冷壁管、過(guò)熱器管等）、蒸汽管道和集箱。

20號(hào)鋼在高溫長(zhǎng)期使用過(guò)程中，其組織中的珠光體會(huì)發(fā)生球化現(xiàn)象，即珠光體中的滲碳體（碳化物）形態(tài)由最初的層片狀逐漸轉(zhuǎn)變成球狀，材料的力學(xué)性能也隨之下降。因此，長(zhǎng)期以來(lái)20號(hào)鋼組織中的珠光體球化程度常被廣泛地用作使用可靠性的評(píng)定判據(jù)之一。

20號(hào)鋼珠光體球化組織為5級(jí)，即1級(jí)為未球化（原始態(tài)）;2級(jí)為傾向性球化;3級(jí)為輕度球化;4級(jí)為中度球化;5級(jí)為完全球化。

發(fā)生爆口的過(guò)熱器管的金相組織已經(jīng)達(dá)到珠光體球化5級(jí)，表明該管性能已經(jīng)嚴(yán)重劣化。加上過(guò)熱器管的內(nèi)、外壁有很厚的氧化皮。

氧化皮的產(chǎn)生和發(fā)展，一方面減薄了爐管的管壁厚度，造成管子強(qiáng)度的降低;另一方面由于氧化皮的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地小于鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)（氧化皮導(dǎo)熱系數(shù)0.41868kJ/（m2·h·℃），鋼管導(dǎo)熱系數(shù)209.34 kJ/（m2·h·℃）），造成爐管進(jìn)一步地過(guò)熱，管子強(qiáng)度的進(jìn)一步地降低;過(guò)熱又會(huì)加劇爐管的氧化，由此不斷的惡性循環(huán)，直至發(fā)生爆管。

參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)碳鋼管外徑蠕變變形大于3.5%或高溫過(guò)熱器管外表面氧化皮厚度超過(guò)0.6mm或管子外表面有宏觀裂紋或管壁減薄量大于壁厚的30%，當(dāng)發(fā)現(xiàn)上述情況之一時(shí)，就應(yīng)對(duì)爐管進(jìn)行及時(shí)地更換。可見，該鍋爐的兩根爆口過(guò)熱蒸汽管，即使未發(fā)生爆裂，也是屬于報(bào)廢更換之列。

另外的用于對(duì)比的過(guò)熱器管，管徑?jīng)]有明顯地脹粗變形、內(nèi)外管壁也未見超標(biāo)的氧化皮存在、珠光體球化僅為2級(jí)，沒(méi)有明顯地過(guò)熱現(xiàn)象，故仍可繼續(xù)安全地運(yùn)行使用。

4 結(jié)論及建議

發(fā)生爆口的過(guò)熱器管的失效性質(zhì)為長(zhǎng)期過(guò)熱爆管。在高溫高壓環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行，因局部過(guò)熱（高溫?zé)煔獠痪?、爐管布局差別、管內(nèi)傳熱不暢等），造成過(guò)熱器管（爆口處及附近）的管壁組織中珠光體的球化，導(dǎo)致爐管強(qiáng)度下降;同時(shí)，過(guò)熱又造成爐管內(nèi)外壁氧化嚴(yán)重，氧化皮的不斷發(fā)展，即減薄了爐管壁厚，降低其強(qiáng)度;又降低了爐管的傳熱能力，導(dǎo)致爐管的進(jìn)一步地過(guò)熱;進(jìn)一步地過(guò)熱會(huì)更加促進(jìn)爐管組織珠光體球化程度的加劇，又加速爐管內(nèi)外壁氧化皮的增厚及管壁厚度的減薄，爐管強(qiáng)度的更加降低。如此惡性循環(huán)下來(lái)，最終造成過(guò)熱器管的爆管失效。

發(fā)生爆裂的過(guò)熱器管必須更換。對(duì)于爆口附近或相鄰部位的過(guò)熱器管，也要認(rèn)真地檢查，發(fā)現(xiàn)氧化嚴(yán)重、明顯脹粗、表面開裂的爐管及時(shí)地更換;對(duì)懷疑球化嚴(yán)重的爐管應(yīng)進(jìn)行抽檢，對(duì)于球化嚴(yán)重的也應(yīng)該考慮進(jìn)行更換。

嚴(yán)格控制鍋爐運(yùn)行溫度和壓力以及加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵部位爐管的檢驗(yàn)監(jiān)督，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)隱患，以防止過(guò)熱器管爆裂事故的再次發(fā)生。