工业锅炉锅筒鼓包案例分析

张正华

（武汉市锅炉压力容器检验研究所，湖北 武汉 430024）

工业锅炉锅筒鼓包案例分析

张正华

（武汉市锅炉压力容器检验研究所，湖北 武汉 430024）

对一例锅筒鼓包进行宏观检验和取样检测，分析产生鼓包的原因并提出处理建议。

鼓包；过热；球化；脱碳

锅筒是锅炉的重要受压元件和传热元件，如果锅筒底部直接承受高温负荷，加之内部沉积水垢、水渣，工作条件将十分恶劣，极易产生鼓包和裂纹等缺陷。某塑胶厂一台型号为DZG2-0.7-AⅢ的锅炉，使用单位在锅炉运行中发现锅筒底部鼓包。该锅筒采用厚10mm的20g （GB/713-1997）钢板制成。

1 锅炉锅筒鼓包宏观检验

鼓包中心位置位于锅筒底部前侧距两筒节环缝400mm处，变形区域近似椭圆（350×280mm），长轴与锅筒轴线平行，鼓包高度55mm，鼓包顶端有长约20mm裂口。

锅筒有结垢现象，厚度0.5～2.5mm，底部最厚2.5mm。鼓包的向火侧氧化较严重，甚至出现剥落的现象。

2 取样检测

将鼓包的钢板整体割下，分别在鼓包开裂处（即鼓包变形最大的顶部部位）和鼓包起始处（即开始发生鼓包变形的部位）取样进行金相检测、硬度检测以及材质检测，试样检测面均为向火侧。

2.1 金相组织

金相检测采用的侵蚀剂均为4%硝酸酒精溶液，检测结果如图1、图2所示。

由金相图片可以看出鼓包起始处的金相组织为铁素体+珠光体，珠光体形态尚明显，但区域中的碳化物已经分散，并逐渐向晶界扩散，属于三级球化。铁素体的晶粒度为7～8级。

鼓包开裂处的金相组织为铁素体+珠光体，珠光体形态消失，区域中的碳化物已经逐渐长大，逐渐向晶界扩散并沿晶界成链状分布，属于五级球化，铁素体的晶粒度为7～8级。

以上金相检测结果表明，锅筒鼓包处金相组织发生了变化，虽然鼓包起始处和鼓包开裂处的晶粒度区别不大，但两处的金相组织中球光体球化程度有较大区别。

图1 鼓包起始处金相组织 500倍

图2 鼓包开裂处金相组织 500倍

2.2 硬度

对两处试样进行硬度检测，结果是鼓包起始处的平均硬度为119HB，鼓包开裂处的平均硬度为104HB。

2.3 材质

在两处取样进行化学成分试验，两处取样的主要化学成分结果与GB/713-1997中25mm以下厚度的20g钢板的技术要求见表1。由表1可见两处的主要化学成分区别并不大，但是两处的含碳量均偏低。

表1 化学成分试验结果

3 讨论与分析

锅筒有较严重结垢现象表明锅炉给水品质不符合要求，导致锅筒底部结生水垢太厚，因水垢的导热系数仅有钢板导热系数的几十分之一到近百分之一，相当于一层隔热体钢板受到炉内辐射热后，从而严重阻碍了锅筒底部的传热，使锅筒底部得不到有效地冷却，金属壁面温度会急剧升高，导致鼓包处受热过高。

鼓包处向火侧出现可剥落的氧化层也表明此处在使用过程中受热过高。

通过以上检测试验，鼓包处金属材料受热过高导致了以下三个方面的结果。

3.1 受热过高直接导致使用状态下金属强度比设计低

金属在一定使用温度下会随使用温度的升高其强度会降低。这是因为金属材料由金属原子组成，温度上升，其原子活动更加剧烈，其组织结构就表现出不稳定性，因此强度就下降，受到外力也就容易变形。

例如20号钢在250℃时抗拉强度为470MPa，而500℃时，其抗拉强度只有100MPa左右。锅筒在使用状态下，结垢严重处的金属壁温比设计高很多而直接导致金属强度比设计预期低，在锅内介质压力作用下锅筒就可能会在底部结垢部位发生鼓包。

3.2 金相组织发生珠光体球化导致金属性能下降

通过上述试验结果可知：鼓包起始处和鼓包开裂处的金相组织虽然均为铁素体+珠光体，而且二者铁素体的晶粒度区别也不大，但是后者珠光体球化更为严重，这是因为锅筒内存在水垢，造成鼓包局部受热不均且受热过高致使珠光体球化加剧。

参照DL/T674-1999可知20号钢在未球化、3级球化、完全球化时对应的常温性能如表2。20g珠光体球化不仅会导致其蠕变极限下降25%左右，而且其它的性能也会降低。

因此，结垢处金属发生球化使其金属性能下降可能导致锅筒鼓包。

表2 20号钢在不同球化等级下的常温机械性能

3.3 在过热条件下工作致使金属脱碳，从而使金属硬度、强度降低

试验结果表明两处的化学成分虽然符合GB/713-1997，但是含碳量偏低，这是因为鼓包处受热过高，造成一定的脱碳现象，参照硬度试验的结果正好也表明碳含量的降低致使两处的硬度值低于相应球化等级下的硬度值。一般情况下，金属材料的硬度和强度存在对应关系，即硬度越高，一般强度越高。因此脱碳也导致了金属强度下降从而可能导致锅筒鼓包。

以上三个因素对锅筒发生鼓包、甚至开裂失效的均存在促进作用，但是其作用大小可能有所不同。

4 结论及处理建议

该锅筒鼓包失效是由于在鼓包处积存大量的水垢，严重影响了热传导，使得鼓包处金属材料受热过高，从而导致该处存在促进锅筒鼓包失效的三个具体因素：

（1）使用状态下金属强度比设计低；

（2）发生珠光体球化导致金属性能下降；

（3）金属脱碳使金属硬度、强度降低。

由于锅筒的鼓包严重，无法采用加热、顶压工艺使锅筒恢复原状。

因此，根据相关法规标准的规定和使用单位的要求，可对锅筒底部严重鼓包部位采用挖补方法进行修复。另外，使用过程中要严格保证锅炉水质，定期除垢。

[1]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T674-1999.火电厂用20号钢珠光体球化评级标准[S]. 北京：中国电力出版社，1999.

[2]国家技术监督局.GB713-1997.锅炉用钢板[S]. 北京：中国标准出版社，1998.

[3]李爱民，姚华明.KZ型卧式外燃快装锅炉锅筒底部鼓包的原因及处理[J].机械研究与应用，2005,18(6):115～116.

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1671-0711（2016）11（下）-0062-02