一起炉膛水冷壁爆管事故的原因分析及预防

摘 要：通过对一起高压蒸汽燃气锅炉试运行阶段炉膛水冷壁爆管事故的原因分析，阐明了珠光体的高温球化现象对金属强度的影响，指出按章操作的重要性和必要性，正确的烘炉操作是避免发生烘炉阶段爆管事故的关键。

关键词：水冷壁过烧；珠光体球化；烘炉

新疆某化工企业为了扩大生产规模，2013年订购我公司一台75吨燃天然气高温高压锅炉，锅炉型号为ZG-75/10.5-Q，锅炉采用自然循环，室外布置结构。本锅炉整体布置采用传统的前吊后支，“Π”型布置，炉膛水冷壁系统和过热器全部悬吊于锅炉顶板上，省煤器、空气预热器支在尾部钢架上。炉膛部分采用敷管式轻型炉墙，过热器及尾部竖井烟道采用耐火砖+硅酸铝纤维板+硅藻土保温砖+钢护板的重型炉墙结构。

锅炉于2013年5月投入试运行，锅炉试运行几小时突发炉膛水冷壁爆管事故而紧急停炉。后经检查发现，爆管处位于上层燃烧器上部大约1米左右。管子爆破口呈现出明显撕裂减薄状、破口边缘锋利，周围没有细小的裂纹（见图2）。同时其附近相邻的2到3根水冷壁管子在相同高度也出现不同程度的胀粗鼓包、弯曲现象，管子已经处于失效状态，呈现出明显的高温蠕胀特征。初步判断爆管是由于前期烘炉过程中局部高温过烧引起的。

为了进一步查明管子破坏的原因，我们对切割下来的材质为20G（GB5310）的高压锅炉管变形部分进行了金相分析，结果发现材料原本的珠光体结构发生了明显的改变，渗碳体层出现了严重的球化现象，晶界变得模糊不清。而同一根管子未变形部分的金相组织形态正常，排除由于材质问题导致爆管的可能。我们知道，珠光体钢在其允许使用温度范围内长期工作会出现缓慢球化的趋势（见表1），从表1中不难发现珠光体球化会使钢材的抗拉强度和屈服极限出现不同程度的下降，即珠光体球化越严重，材料的高温强度就越低。从材料球化程度来看，基本可以确定水冷壁爆管部位存在较长时间的高温“过烧”现象。

经过和司炉人员交谈得知，由于用户工期太紧，锅炉在砌筑完成后并没有按照锅炉使用说明书中相关规定的烘炉时间和温度控制曲线进行烘炉，而是采用通过燃烧器直接燃烧天然气使锅炉升温的方式进行，由于要控制升温速度，在烘炉过程中采取了只开引风机不开鼓风机的方式。由于火焰刚度不够，在尾部微负压的作用下，火焰基本沿前墙向上爬升。这样在火焰直接与水冷壁接触部位就会形成局部高温区。而在锅炉的烘炉阶段，由于锅炉蒸发量很小，仅需要极少量的间断补水。在水冷壁管、下降管、下联箱及锅筒组成的简单回路中，锅筒与水冷壁下联箱间的重位压差作为循环动力而形成的微弱水循环，使水冷壁的向火面得到有效冷却。然而局部的高温使管内贴壁的水迅速汽化，形成大量气泡，由于没有足够的循环水量将产生的气泡及时带走，使大量气泡在管壁上聚集，气泡阻隔了水与管壁的接触，气泡的冷却及传热效果又非常差，从而使该处管壁温度在短时间内迅速升高，其结果就是管子材质在长时间高温下发生严重的球化现象，使得管子强度大幅降低，发生高温蠕变。只是由于烘炉期间锅炉基本不带压而煮炉其间运行压力较低而没有暴露问题。

现场经与用户沟通，用户基本同意以上原因分析。现场将发生爆管和热胀弯曲变形的管子割掉后重新插入新管，改造完成后锅炉顺利投入运行，各项参数均达到设计要求，保证了用户的生产。

那么如何避免在锅炉的烘炉过程中发生水冷壁“过烧”的事故呢？

首先，应当明确锅炉烘炉的目的。新安装的锅炉，在炉墙材料中及砌筑过程中吸收了人量的水份，如与高温烟气接触，则炉墙中含有的水份因为温差过人，急剧蒸发，产生大量的蒸汽，进而由于蒸汽的急剧膨胀，使炉墙变形、开裂。所以，新安装的锅炉在正式投产前，必须对炉墙进行缓慢烘炉，使炉墙中的水份缓慢逸出，确保炉墙热态运行的质量。

根据锅炉的结构特点一般采用火焰烘炉的方法。

火焰烘炉：由于烘炉初期温度不能升的太高太快，一般烘炉初期热源采用木柴居多。

（1）在燃烧室中部堆架木柴，点燃后使火焰保持在中央，利用自然通风保小火，燃烧维持2-3天，火势由弱逐步加大。（2）第一天炉膛出口排烟温度应低于50℃，以后每天温升不超过20℃，未期最高温度<220℃，保温2-3天。（3）烘炉后期约7-12天可改为燃气烘炉，保持炉膛燃烧室负压要求。（4）烘炉时间以14-16天，结束燃烧停炉。（5）操作人员每隔2小时记录一次烟温，严格按要求控制烟温确保烘炉质量。（6）烘炉时间与烟气温度的关系曲线，可参考下面烘炉曲线图3。

烘炉的具体操作：

（1）关闭汽包两侧入孔门。（2）用除盐水经冷水系统向汽包内进水，并轮流打开各排污阀门疏水、排污、冲洗锅炉受热面及汽水系统和各阀门。（3）有炉水取样装置，取炉水样分析，确认水质达标后，停：冲洗关闭各疏水、排污阀门。（4）向汽包内缓慢送水，水位控制标准水位±20mm。（5）烘炉前，应适当打开各检查门，以便及时排除炉内的潮气。（6）在燃烧室中央堆好木材，在木材上浇上柴油点火，用木材要求烘炉2～3天，烘炉时，可适当开启送风机，增大进风量，以维持一定的炉温，保证烟温，确保将炉墙烘干。（7）木材烘炉结束，可按要求进行后期燃气烘炉，此时，应增加送风机开度，微开引风机，关闭检查门，进一步提高烟温，烘干炉墙。（8）定期检查各膨胀指示器、水位计，确保锅炉运行正常，如有异常发现，应及时汇报，妥善处理。（9）定期定时检查，记录烟温，确保烘炉质量。（10）由灰浆放样处取样，进行含水率分析，当灰浆含水率≤7%时，表明烘炉己达要求。

烘炉注意事项：

（1）烘炉时，不得用烈火烘烤，温度的升速应缓慢均匀，要求最大升温速度小于20℃/天。（2）烘炉过程中要定期检查汽包水位，使之经常保持在正常范围。（3）烘炉中炉膛内的燃烧火焰要均匀，不能集中于一处。（4）烘炉过程中可用事故放水门，保持汽包水位，避免杂物进入过热器内。（5）烘炉过程中要定时记录烟气温度，以控制温升速度和最高温度，不超过规定要求。

综上所述，该起水冷壁爆管是一起典型的不按章操作引起的事故。因此加强司炉人员的学习、培训，提高司炉人员按章操作的意识，才是减少锅炉误操作的关键。

参考文献

[1]林宗虎，徐通模.锅炉使用手册[M].化学工业出版社，2009，4.

[2]冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌.锅炉原理及计算[M].科学出版社，2003.

[3]赵钦新，惠世恩.燃油燃气锅炉[M].西安交通大学出版社，2000，6.

作者简介：崔颖辉，工程師，2002年毕业于郑州大学，毕业至今一直在郑州锅炉股份有限公司从事锅炉开发、设计工作。