許曉穎 郭 琳 齊洪洋
(廣東省特種設備檢測研究院茂名檢測院)
工業(yè)鍋爐廣泛應用于食品、化工及造紙等各行業(yè)工廠的物料加熱工序中,在工業(yè)進步進程中起到了至關重要的作用。 但鍋爐內工質處于高溫、高壓狀態(tài),且部分受壓元件與火焰直接接觸,是一類運行工況惡劣、危險性極高的承壓類特種設備,一旦發(fā)生事故,輕則停爐停產,重則引起爆炸,造成嚴重的后果[1~5]。 鍋筒鼓包是鍋爐常見的安全事故之一,經常發(fā)生在水冷壁管或鍋筒的受火面上。
在正常運行情況下,鍋爐內介質是充分流動的,從而使各受壓部件得到冷卻,并不會發(fā)生塑性變形;但當介質流動不暢,受火面得不到有效冷卻時,金屬溫度過高,導致材質劣化、強度降低,無法承受內部介質壓力,發(fā)生塑性變形,即產生鼓包現(xiàn)象[6~10]。
某企業(yè)工業(yè)鍋爐型號為DZL4-1.25-AⅡ,鍋筒設計最小需要壁厚15.47mm,實用壁厚16mm,材料為20G。在使用過程中發(fā)現(xiàn)鍋筒鼓包,鼓包位置位于鍋筒人孔正下方的鍋筒底部,基本為球狀凸起,變形范圍φ320mm,其峰高約25mm,宏觀特征如圖1 所示。 鍋筒內表面附著層片狀水垢,并有脫落痕跡,鼓包部位堆積大量的白色片狀水垢,片狀水垢厚2~3mm,堆積高約75mm,底部為淤泥狀水垢。
圖1 鼓包部位示意圖
發(fā)生塑性變形,是因為材料受力狀態(tài)遠超其彈性受力極限,當外力消失后,不能恢復原狀,產生了永久性變形,如圖2 中ek段。
圖2 低碳鋼拉伸曲線
圖中,oe段為純彈性變形階段, 卸去載荷時,試樣能恢復原狀;e點開始發(fā)生塑性變形;s點出現(xiàn)屈服現(xiàn)象, 有明顯的塑性變形;sb段為強化階段,試樣產生均勻的塑性變形,并出現(xiàn)了強化;b點為最大載荷,試樣出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象;k點試樣被拉斷。
經調查,安全閥可以正常起跳,即現(xiàn)場未發(fā)生鍋爐超壓現(xiàn)象,說明鼓包現(xiàn)象并非因受力過大引起,而是由于鍋筒材料強度降低導致的。 鍋筒材料強度降低一般是因為厚度減薄或材質劣化。為了對上述鼓包進行深入研究,依次進行了壁厚分析、硬度測定、金相分析、水質分析及運行情況調查等分析手段。
為分析鼓包是否因壁厚減薄引起,將鼓包部位和附近未發(fā)生鼓包的部位打磨至露出金屬光澤,并對該部位進行超聲波壁厚測定,精度±0.1mm,測點位置分布如圖3 所示,測厚結果見表1。
圖3 測點位置分布
表1 鼓包部位及附件部位測厚值 mm
測厚結果表明,從鼓包外圍至鼓包的頂峰位置,均未發(fā)現(xiàn)明顯壁厚減薄。 因此可以判斷,鼓包變形不是由鍋筒腐蝕減薄引起的。
鼓包與壁厚無關,高溫材質劣化亦有可能導致材料強度下降。 硬度與強度成正比關系,強度降低可以表現(xiàn)為硬度降低。 因此,可通過對硬度的測定,間接獲悉強度變化情況。 分別對鼓包部位和附近未發(fā)生鼓包部位進行硬度測定,測點分布位置如圖3 所示,結果見表2。
硬度測定結果表明, 鼓包部位明顯硬度偏低,鼓包中心部位硬度最低。 懷疑材質劣化,須做進一步金相分析。
表2 鼓包部位及附件部位硬度值HB
室溫下鋼的組織和性能一般是相當穩(wěn)定的,但在高溫下,材料組織將發(fā)生變化。 這種變化會引起其性能的改變[11]。 其中,碳鋼的珠光體球化對鋼材高溫強度的影響是最明顯的。 當材料在高溫工況下時,會發(fā)生珠光體球化,球化發(fā)展到一定程度后, 隨著運行時間延長逐漸產生蠕變損傷;二者相互影響,在高溫下,加速材質劣化,產生微裂紋,在壓力作用下,導致破裂[12]。
對此鼓包部位進行金相分析, 分別取2#、6#、10#3 個測點進行截面金相分析對比試驗,取樣部位為各點的受火面、內部金屬和介質側表面。 其中,鼓包中心附近部位2#測點金相分析結果如圖4 所示。
圖4 2#測點金相分析結果
鍋筒材料為20G, 未產生材質劣化的情況下,該材料由珠光體和鐵素體構成[13]。 對鼓包的不同部位進行金相分析,結果表明:受火面外表面金屬珠光體已完全球化,球化等級達到5級[14];內部金屬和介質側金相組織仍為珠光體加鐵素體。 經進一步對鍋筒金屬截面進行金相分析發(fā)現(xiàn), 珠光體完全球化深度平均值為2.0mm,受火面深度為0.0~3.0mm 范圍內存在不同程度的珠光體球化。
金相分析表明, 鍋筒外表面材料明顯超溫,同時存在珠光體球化和蠕變損傷。 鍋筒超溫主要由于介質流動性差、熱循環(huán)受阻導致,即水垢堆積,熱循環(huán)受阻。
水垢是造成水循環(huán)不暢、鍋筒超溫并發(fā)生材質劣化的主要原因。 為了查明水垢來源,對鍋爐水質進行了詳細分析,包括原水、給水和爐水,結果如下:該鍋爐采用水井水源,即地表淺水,水質硬度大、泥沙多,經水處理設備后供給鍋爐。 抽取水樣進行化驗,鍋爐給水硬度是1.5mmol/L,遠高于GB/T 1576—2008 《工 業(yè) 鍋 爐 水 質》[15]規(guī) 定(0.03mmol/L)。經核查水處理設備,發(fā)現(xiàn)水處理鈉離子交換用樹脂已經失效,不符合水處理設備標準GB/T 18300—2011《自動控制鈉離子交換器技術條件》[16]的要求。
針對鍋爐和水處理設備的運行情況做了詳細調查,結果發(fā)現(xiàn):鍋爐在運行期間,水處理設備未正常投入使用,導致水質硬度超過國家標準要求;檢查往期檢驗資料,在半年前鍋爐內部檢驗工作中,由于打開人孔蓋的操作,將部分水垢振動脫落,使人孔底部有積垢,后期并未將堆積的水垢清除干凈, 導致該處水垢不能及時排出,反而阻擋正常排污,最終導致水垢堆積;對司爐人員的調查發(fā)現(xiàn),未能按照規(guī)定對鍋爐進行維護保養(yǎng),未做到定期對鍋爐水質進行檢驗,對于水垢做過煮爐處理,但是未按操作規(guī)程進行排污。
經過上述分析和調查,此案例中發(fā)現(xiàn)多處異常:
a. 水質問題,由于鍋爐給水未經處理合格即補給鍋爐,爐水硬度超標,在高溫下,鍋筒內壁上產生大量水垢;
b. 水垢堆積, 在鍋爐產生蒸汽的過程中,形成大量水垢,水垢附著在鍋筒和管子上,達到一定厚度(2~3mm),由于水垢的熱膨脹系數(shù)與鍋筒材料不同或振動(如拆除人孔操作)等原因,脫落至鍋筒底部,在原本就有積垢、介質排污流速較低部位形成水垢集中堆積的現(xiàn)象;
c. 材質劣化,水垢的導熱性差,其熱阻是鍋筒材料熱阻的40~100 倍,因此,堆積的水垢嚴重阻礙了鍋筒局部正常傳熱,鍋筒外壁所受熱量不能及時從受熱面?zhèn)鬟f到鍋筒內部介質,導致鍋筒金屬局部溫度過高,材質劣化,強度降低,承壓能力不足;
d. 鍋爐管理問題,司爐人員未能按照規(guī)定對鍋爐進行維護保養(yǎng),未做到定期對鍋爐水質進行檢驗。
綜合以上現(xiàn)象,總結出此次鍋筒鼓包事故的形成過程:水質不達標→產生嚴重水垢→水垢局部堆積,且未及時清除→熱循環(huán)不暢,鍋筒外壁局部溫度過高→材質劣化,強度不足→內壓高于強度允許值→發(fā)生鼓包。
任何安全事故都不是單一因素引起,而是多方面安全隱患疊加的結果。 在此案例中,可以看到整個事故形成過程有多個步驟,任何一個步驟都可以單獨出現(xiàn)在鍋爐運行中,都會最終導致這一事故發(fā)生。 假如任何一個步驟得到有效控制,都可以延緩甚至阻止鼓包的發(fā)生。 嚴格控制人員管理、設備管理以及設備和人員工作狀態(tài)管理等因素,可以有效減少安全事故的發(fā)生。 為防止類似鍋爐鼓包事故再次發(fā)生,提出以下建議:
a. 建立健全相關人員管理制度,配備水處理化驗員,做好水質化驗工作,加強水質技術管理,使鍋爐水質符合GB/T 1576—2008 《工業(yè)鍋爐水質》的規(guī)定;
b. 配合生產, 定期對鍋爐進行停產開蓋自檢,如有水垢超標現(xiàn)象,應及時對鍋爐水側進行化學清洗,并按規(guī)定清除水垢;
c. 應對鍋爐司爐人員進行專業(yè)技術培訓和責任心培養(yǎng),按照相關規(guī)章制度及鍋爐使用說明書做好鍋爐運行、維護和保養(yǎng)工作,并做工作記錄,確保鍋爐安全運行。
針對此次鍋筒鼓包失效案例闡述了鼓包失效分析過程,得出了鼓包失效的原因,提出了維護保養(yǎng)建議。 隨著社會工業(yè)化程度的發(fā)展,工業(yè)鍋爐的數(shù)量會越來越多, 事故案例也會越來越多,本案例中的事故分析過程、結論和維護保養(yǎng)建議具有廣泛的借鑒意義。