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        CO 鍋爐對(duì)流管束泄漏分析

        2023-08-27 01:38:54任廣璇田雙明
        設(shè)備管理與維修 2023年14期
        關(guān)鍵詞:管外汽包管束

        任廣璇,田雙明,蘆 千

        (中國(guó)石油大港石化公司,天津 300280)

        0 引言

        某車間3#CO 鍋爐,型號(hào)WGZ65/3.82-6,額定發(fā)汽量65 t/h,壓力3.82 MPa,生產(chǎn)建設(shè)廠家為武漢鍋爐廠。鍋爐為雙鍋筒布置,對(duì)流管束位于上下鍋筒之間,由Φ51×3.5 mm 的鋼管組成,材料為GB 3087—1982,20g 低中壓鍋爐用無(wú)縫鋼管,連接方式為脹接。1996 年投入運(yùn)行,累計(jì)運(yùn)行時(shí)間10 393 h,上次維修時(shí)間是2016 年8 月6 日,Φ38×3.5 mm 低溫過熱器爐管泄漏。2022 年2 月班組巡檢發(fā)現(xiàn)鍋爐下汽包左東北側(cè)漏水汽,判斷有對(duì)流管束泄漏。

        1 對(duì)流管束泄漏情況

        停爐后排查泄漏情況,最終確定泄漏管束為下汽包最外側(cè)兩根對(duì)流管,東側(cè)泄漏點(diǎn)為臨近鋼梁焊接處(圖1),西側(cè)漏點(diǎn)為臨近密封焊接處(圖2),泄漏位置均可見明顯裂紋。兩處泄漏均為最外側(cè)對(duì)流管,基本呈對(duì)稱分布。

        圖1 對(duì)流管束東側(cè)泄漏點(diǎn)

        圖2 對(duì)流管束西側(cè)泄漏點(diǎn)

        下汽包對(duì)流管束工作條件為:管內(nèi)介質(zhì)為除氧水(加藥磷酸三鈉控制:磷酸根5~15 mg/L,pH 值9~11);溫度為270 ℃;壓力為3.8 MPa;管束材料為20 號(hào)鋼;管束規(guī)格為Φ51×3.5 mm。管束外為煙氣環(huán)境,溫度為420 ℃左右。

        2 管束檢測(cè)分析

        2.1 管束宏觀和低倍形貌分析

        (1)為分析泄漏原因,委托第三方對(duì)管束進(jìn)行理化檢測(cè),從3#鍋爐汽包對(duì)流管束上的不同部位切取了3 個(gè)管段,分別在下汽包的西側(cè)、下汽包的東側(cè)和上汽包的東側(cè)。為了便于后續(xù)檢驗(yàn)分析,將這3 個(gè)管段編為1#管、2#管、3#管(圖3)。

        圖3 對(duì)流管束管段編號(hào)

        (2)1#管:將1#管上的局部區(qū)域沿著彎管外、內(nèi)弧的分界線切分為兩個(gè)半管,如圖4、圖5 所示,管外弧側(cè)的內(nèi)壁上有很長(zhǎng)的裂紋,裂紋出現(xiàn)的位置與該管外弧側(cè)的外壁上焊接的連接板位置相吻合;管內(nèi)弧側(cè)的內(nèi)壁上則未見裂紋;管的整個(gè)內(nèi)壁上都布滿了棕紅色的銹蝕,且有一定程度的局部剝落。

        圖4 1#管內(nèi)外壁宏觀形貌1

        圖5 1#管內(nèi)外壁低倍形貌2

        (3)2#管:將2#管的局部區(qū)域沿著彎管外、內(nèi)弧的分界線切分為兩個(gè)半管;如圖6、圖7 所示,管的外弧側(cè)內(nèi)壁也出現(xiàn)了較小的裂紋,裂紋的位置也是在該管外弧側(cè)的外壁上焊接的連接板處;管內(nèi)弧側(cè)的內(nèi)壁上未見裂紋,但有一條棕黃色的銹斑存在;管內(nèi)壁布滿了棕紅色的銹蝕,且局部有一定程度的剝落。

        圖7 2#管內(nèi)外壁低倍形貌2

        (4)3#管:將3#管沿著彎管外、內(nèi)弧的分界線切分為兩個(gè)半管,該管的內(nèi)壁未見裂紋,也布滿棕紅色的銹蝕,且有一定程度的局部剝落(圖8、圖9)。

        圖8 3#管內(nèi)外壁低倍形貌1

        圖9 3#管內(nèi)外壁低倍形貌2

        (5)1#管外弧側(cè)內(nèi)壁裂紋斷口形貌如圖10 所示,裂紋起源于管外弧側(cè)的內(nèi)壁,由內(nèi)向外擴(kuò)展;斷口上有多個(gè)裂紋源,并有貝紋狀的疲勞弧線;斷口呈灰黑色、布滿氧化腐蝕產(chǎn)物;因此,整個(gè)管外弧側(cè)內(nèi)壁的裂紋(斷口)具有熱疲勞斷裂的特征。

        圖10 1#管外弧側(cè)內(nèi)壁裂紋形貌

        (6)1#管(包括2#管)內(nèi)壁裂紋出現(xiàn)在管子的外弧側(cè)、又在管外弧側(cè)連接板的焊接部位,由此推斷,對(duì)流管束(彎管)裂紋的產(chǎn)生與該部位管子的形狀、管子外弧側(cè)外壁焊接的連接板等因素有一定的關(guān)系。

        2.2 管束的材料分析

        分別從3 個(gè)管段上切取塊狀樣品,依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果表明,3 個(gè)管段的材料成分均符合20 號(hào)鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求(表1)。

        表1 管束材料的化學(xué)成分 wt%

        2.3 管束的金相分析

        同時(shí)對(duì)1#~3#管進(jìn)行金相分析,確認(rèn)3 個(gè)管出現(xiàn)裂紋(蝕坑)的位置相同,都是在管子的內(nèi)壁(管束與連接板的未焊接側(cè)),差異只是裂紋(蝕坑)的深度不同,但裂紋(蝕坑)的性質(zhì)應(yīng)該是一樣的。1#管內(nèi)壁上裂紋(蝕坑)已經(jīng)穿透管壁,造成汽包對(duì)流管束的泄漏(補(bǔ)焊堵漏);而2#管、3#管內(nèi)壁上的裂紋(蝕坑)還相對(duì)較淺,尚未對(duì)管束造成泄漏破壞。

        2.4 管束的電鏡分析

        使用掃描電鏡,對(duì)1#管斷口及管壁裂紋(蝕坑)等進(jìn)行形貌(圖11)觀察和元素成分能譜分析(圖12)。低倍下可見斷口上有圓形弧狀形貌,具有疲勞斷裂的特征;但在高倍下則只能看到斷口上布滿氧化腐蝕產(chǎn)物。能譜分析表明,斷口的氧化腐蝕產(chǎn)物主要由O、Fe 元素構(gòu)成,為鐵的氧化物。

        圖11 1#管斷口及管壁裂紋形貌

        圖12 元素成分能譜分析

        3 綜合分析

        通過對(duì)3 根汽包對(duì)流管束進(jìn)行了多項(xiàng)理化檢驗(yàn)分析,認(rèn)為造成對(duì)流管束開裂泄漏的主要因素是介質(zhì)腐蝕、交變載荷、焊接應(yīng)力等。

        (1)介質(zhì)腐蝕。在3 根管子的內(nèi)壁布滿了棕紅色的腐蝕產(chǎn)物(鐵的氧化物),尤其是在管子內(nèi)壁的裂紋(蝕坑)中,腐蝕產(chǎn)物更多些。這些裂紋(蝕坑)既造成了管子內(nèi)壁的局部應(yīng)力集中而成為疲勞裂紋源,又會(huì)因裂紋擴(kuò)展(蝕加深)導(dǎo)致管壁的減薄直至開裂,引發(fā)管內(nèi)介質(zhì)的泄漏。

        (2)交變載荷。鍋爐運(yùn)行期間,因鍋爐汽包及管束內(nèi)介質(zhì)的溫度、壓力等的變化,會(huì)形成不同程度的交變載荷(振動(dòng))。交變載荷的存在,易造成管束局部應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋。

        (3)焊接應(yīng)力。3 根管束的裂紋(蝕坑)都出現(xiàn)在管束內(nèi)壁(焊接處附近),且不在管束與連接板的焊接側(cè),對(duì)流管束與連接板的焊接是單面焊,又在對(duì)流管束彎管的外弧側(cè),說(shuō)明管束內(nèi)壁裂紋的發(fā)生和發(fā)展與管束形狀、焊縫位置、焊接方式等有著重要的關(guān)系。

        綜合上述三方面因素的作用,使得3#鍋爐汽包對(duì)流管束彎管外弧側(cè)內(nèi)壁在鍋爐運(yùn)行過程中產(chǎn)生腐蝕疲勞裂紋,并不斷地?cái)U(kuò)展,直至最后造成管束管壁的減薄和開裂而發(fā)生介質(zhì)泄漏。

        4 結(jié)論及建議

        4.1 結(jié)論

        (1)3 根汽包對(duì)流管束的材料均為20 號(hào)鋼,材質(zhì)吻合。

        (2)3 根汽包對(duì)流管束的金相組織為鐵素體+珠光體。

        (3)3 根汽包對(duì)流管束內(nèi)壁的裂紋(蝕坑)為腐蝕疲勞開裂。

        (4)對(duì)流管內(nèi)介質(zhì)的氧腐蝕、鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的交變載荷(振動(dòng)對(duì)流管束與連接板的焊接位置和焊接方式而產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中,是造成對(duì)流管束產(chǎn)生腐蝕疲勞裂紋的主要因素。

        4.2 建議

        (1)日常加強(qiáng)鍋爐水質(zhì)的監(jiān)測(cè),做好鍋爐水的除氧,盡量減少由水垢、氧腐蝕和給水中化學(xué)殘留物對(duì)鍋爐本體受壓元件造成的各類腐蝕。

        (2)合理控制每臺(tái)鍋爐流量,減少不必要負(fù)荷調(diào)節(jié)工作,保證鍋爐壓力溫度平穩(wěn),使鍋爐安全運(yùn)行。

        (3)對(duì)于鍋爐各個(gè)部位的焊接處,如頂棚過熱器管與鰭片的焊接、對(duì)流管束彎管與連接板的焊接等采取合理的焊接方式,減少因焊接造成相應(yīng)管束的局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞裂紋。如采用氬弧焊代替手工電弧焊,減少焊接的熱輸出;采用間斷焊接或跳焊代替連續(xù)焊接,避免連續(xù)焊接產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。

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