某企业锅炉水冷壁爆管原因分析

苏宣机

(福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350008)

1 前言

锅炉设备长期使用的实践说明，由于结构设计不合理、选材不合适、制造安装过程中的焊接等工艺存在的各种问题，以及锅炉使用过程中的不规范操作，都能致使锅炉在使用过程中出现故障。比如水冷壁爆管、过热器爆管等时有发生。因此,对锅炉出现的各种事故进行分析，找出事故发生的根源，对锅炉的安全有效运行意义重大。

2 现场检查及取样情况

福建某企业一台新安装的型号为SZL4-2.5-AⅡ的蒸汽锅炉，额定蒸汽压力为2.5MPa。该锅炉2010年3月12日开始试运行，2010年3月25日发生水冷壁爆管，累计运行200小时左右，爆管时锅炉运行压力为1.65MPa。水冷壁管的规格为φ51×3mm，材质为20钢。爆裂的管位于左侧墙从炉前起第15根，其附近多根水冷壁管有不同程度变形。爆裂管的顶部筑有防磨带，防磨带区域覆盖左侧墙水冷壁前起第11根至第20根，处于烟气（或火焰）最高温度位置，如图1所示。

图1 爆管部位

2.1 管径测量

对水冷壁管外壁清理后用游标卡尺对水冷壁管外径进行测量，测量情况见表1。从表1数据可知，左墙水冷壁管第10～20根胀粗明显，其余管子轻微胀粗或没有胀粗。

表1 水冷壁管径测量情况

2.2 壁厚测定：

对位于爆管附近的左侧墙水冷壁管前起第13、14、17、18根（对应管子编号为1、2、3、4）和右侧墙挡墙起往后第18根（对应管子编号为5）外观完好的水冷壁管进行壁厚测量，测量情况见表2。测厚结果显示爆口附近的水冷壁管壁厚有明显减薄迹象，完好的水冷壁管壁厚符合设计参数，未见异常。

表2 水冷壁管壁厚测量情况

2.3 内窥镜检查

用视频内窥镜对爆裂的水冷壁管及上锅筒进行内部检查，没有发现管子内部有结垢与异物堵塞，锅筒也无积垢现象，见图2。

图2 锅筒内部

2.4 爆口形貌

爆管的爆破口管径胀粗明显，管壁减薄严重。爆破口呈尖锐的喇叭形，长140mm，宽105mm，其边缘很锋利，具有韧性断裂的特征，呈撕裂状，没有平行于破口的轴向裂纹，爆口形貌见图3。

图3 爆口形貌

2.5 现场取样

为了对水冷壁管的爆管原因进行有效分析,在现场提取水冷壁管段作为试样。选取爆裂的水冷壁管为1号试样,选取右侧墙挡墙起往后第18根水冷壁管为2号试样。

3 理化检验

3.1 化学成分分析

为了判断水冷壁管的材料是否用错，对1号、2号试样进行了化学成分分析，然后与GB3087-1999中标准的化学成分进行比较，其结果见表3。从结果看来,发生爆管的1号管段和未发生爆管的2号管段的各元素均符合GB3087-1999“中低压锅炉用无缝钢管”标准要求，可以判定爆管原材料用材无差错。

表3 水冷壁管试样的化学成分

3.2 金相检验与硬度测试

为了进一步分析水冷壁管爆管的原因,截取1号管段爆口处和爆口下侧400mm处的背火面及2号管段向火面分别制作1#、2#、3#三块试样进行金相检验。金相检验的具体情况见图4、图5、图6。对三块试样进行显微维氏硬度测试，1#试样的硬度值为422HV，2#试样的硬度值为139HV，3#试样的硬度值为161HV。

图4 1# 500× 回火马氏体

图5 2# 500× 铁素体+珠光体

图6 3# 500× 铁素体+珠光体

从试样的金相组织与硬度测试结果来看，1号管段爆口处1#试样的金相组织为回火马氏体，1号管段爆口下侧400mm处背火面2#试样的金相组织为铁素体+珠光体，2号管段向火面3#试样的金相组织为铁素体+珠光体。2#试样组织的晶粒明显大于3#试样，而且硬度较低。

符合GB3087-1999的20钢正常的金相组织为珠光体+铁素体，所制取的三块试样中1#试样的金相组织出现马氏体转变，2#试样的金相组织中晶粒有长大现象，3#试样的金相组织是正常的。这些现象说明该锅炉在运行过程中水冷壁曾经出现过局部大幅度超温现象。结合爆口形貌可知1号管段的爆口属于短时超温蠕胀破裂，超温幅度大，温度应当在Ac3以上，管子在短时间内就严重胀大并最终破裂，此时由于管内的水喷出对爆口部位进行淬火处理，并在炉内余温的作用下使爆口部位呈现回火马氏体状态。1号管段下半段背火面组织中的晶粒有长大现象，但由于该处受热强度较小，超温幅度明显小于爆口处。2号管段位于锅炉右侧墙后部，金相组织正常，说明该区域没有超温现象。

从以上分析说明该锅炉不存在整体缺水引起超温情况，超温只限定在特定区域。

4 综合分析

从以上的检验与分析可知锅炉是在设计压力下正常运行，并根据化学成分分析、内窥镜检查、金相检验及硬度测试，可以排除管子材料用错、管子结垢或堵塞、锅炉整体严重缺水等因素引起超温爆管。

而从水冷壁管管径与壁厚的测量结果来看，可以发现爆裂管子与胀粗较严重的管子均处于管子顶部设置有防磨带的区域，该区域的水冷壁管受热面与其它管子相比减少1/3左右，受热强度明显小于其它水冷壁管。根据锅炉自然水循环原理，上升管受热越强，其中产生的水蒸汽就越多，从而压头就越大，汽水流速高流量也大。但如果由于结构原因造成锅炉各水冷壁管之间受热情况相差太大，就会使受热弱的管内水流缓慢，循环动力不足，并受其它管子对循环水的争夺影响，使管内的汽水只能缓慢流动甚至循环停滞。该锅炉设计中在炉排强烈燃烧位置的水冷壁上半段设置防磨带，致使左侧墙第11～20根水冷壁管的有效辐射受热段仅为其它水冷壁管的1/3左右，使得覆盖防磨带的管子成为循环回路中的受热弱管，热力偏差造成了循环回路中各单根管子的水量分配严重不均，该部分管子流量大为减少，流速降低，发生传热恶化，管子冷却不良，最终严重过热爆裂。

5 结语

综合以上分析，尤其是爆口形状、水冷壁管不同部位的金相组织分析及水循环结果分析可知该锅炉水冷壁爆管的主要原因是局部区域的水冷壁管由于设置防磨带造成该区域管子热负荷降低，引起水循环动力不足，管内水流缓慢或停滞，最终管子因冷却不良而过热爆裂。

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