余热锅炉过热器U形弯管断裂原因分析

孙翠华，盛全中

(江苏特种设备检验研究院宿迁分院，江苏宿迁 223800)

锅炉是企业动力的心脏，确保锅炉零事故率是企业安全生产和提高经济效益的基石。余热锅炉过热器通常放在高温废气入口处，启停次数多时，过热器U形弯管因频繁超温材质发生变化，导致其强度下降，运行中会发生变形泄漏和爆管现象，被迫停车处理，进而影响整个系统的正常运行[1-2]。因此，对锅炉过热器弯管断裂原因进行分析，可以采取有针对性的预防措施，从而达到改善运行水平，减少事故非停的目的[3]。

1 事故经过

江苏禾友化工集团合成氨装置以无烟煤为原料，采用固定层间歇式气化工艺。2009年，为了进一步节能降耗，投运1台25 t/h余热锅炉，该锅炉以造气吹风气、提氢后的合成放空气、精细化工提CO后的放空气为燃料，设计压力为2.5 MPa，设计温度为300 ℃，蒸汽过热器设置在锅炉水冷段与锅炉对流管束中间，采用面式减温装置来调整蒸汽温度。2014年10月，从某专业生产锅炉辅机厂订制了1台蒸汽过热器，2014年12月更换投运，至2015年3月初，蒸汽量逐渐减少，仔细检查发现过热器段有明显泄漏的响声，经降温后检查，发现有10根管子开裂(总共29组管束)。另外，江苏禾友集团供热公司1台60 t/h粉煤锅炉设计压力为1.6 MPa，2016年3月试运行后投运，2016年5月，同样发生过热器管开裂事故。

2 初步原因分析

在发现余热锅炉过热器管泄漏未停炉前，组织相关技术人员对此事进行预先分析，查找可能的原因，结合前期煤气炉及余热锅炉运行情况初步分析的可能原因有：①煤气炉重风现象出现，导致吹风气余热锅炉系统负荷忽高忽低，蒸汽压力温度波动大，使过热器管内的氧化皮在温度、流速反复波动下脱落，长期积聚至管道堵塞；②入炉水质差，短时生产波动或有满水现象，炉水盐分杂质进入过热器管，或满水使管子爆裂；③过热器管子采用12Cr1MoVG材质，因生产问题锅炉曾降压至1.0 MPa使用，这样过热器管内蒸汽流速比设计时低，同时由于过热器管子弯曲半径较小，增大了管内阻力，当蒸汽流速减慢时，氧化铁皮、结晶盐类等杂质都沉积在过热器管底部弯头内，部分弯头沉积到一定量时，过热器管内流通的蒸汽量逐步减少甚至不通，而管外800 ℃高温烟气导致管子过热发生蠕变而脱落，最终爆管；④可能是制造时材质有代用或制造焊接质量问题。

待停炉降温后，入炉检查发现在过热器前后下部弯头处有10余根管子断裂，同时切割几根有代表性的断裂带弯头管和未开裂的弯管、直管进行分析检验。

3 理化检验

3.1 断管位置

余热锅炉过热器管规格Ф 38 mm×3.5 mm，材质为12Cr1MoVG。开裂位置在过热器弯管与直管过渡段，全部在下部弯头处，且均在弯管内侧，同时弯管上有裂纹。

3.2 断口宏观检查及测量

通过对U形弯管断口附近管道的宏观检查，管子没有明显减薄，管子在转弯处内外壁厚度的不同，缘于管子的加工；直管段壁厚仍保持均匀，内外部也没有腐蚀、冲刷减薄现象。管子内部也没有发现积盐之类的沉积物，管子外部也没有严重积灰现象；除了下部弯头过渡段开裂外，过热器管子其他部位没有明显的裂纹。

3.3 取样分析

对U形弯管进行取样分析，检验结果与GB 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》的标准进行对照，管子的金相组织正常，但取样化学元素成分硅和硫含量超标[4]。取样元素成分分析见表1。

表1 取样元素成分分析(质量分数) %

3.4 断口电镜检查

对U形弯管断口进行取样电镜分析(图1和图2)：①宏观形貌上，过热钢呈石状，颜色浅灰，无金属光泽，石状颗粒愈多愈大，过热愈严重；②微观形貌上，为典型的延性沿晶断口。

图1 第1排弯管断口取样电镜分析示意

图2 第2排弯管断口取样电镜分析示意

4 断裂原因分析

由中国煤炭科学研究院、江苏特种设备检验研究院宿迁分院、专业锅炉制造厂、江苏禾友化工集团技术人员等组成专家组，对现场进行查勘、测量、分析，最后结论是：此管是在弯制过程中应力集中(从管子的外观看，在管子的起弯侧没有，均是在管子的收弯处)，且没有经过热处理，应力没有消除。取样分析结果显示为硅、硫含量超标，在高温、负荷有波动的工况下运行时，组织中出现微裂纹，并逐渐扩大，进而形成裂纹，最终导致应力脆断。

5 预防措施

(1) 选择材料时，应严格把控生产厂家的质量，并提出具体的质量要求，要求过热器管应是回火加正火处理后的管子，否则在冷弯中易出现隐性裂纹，致使在使用过程中出现扩大而断裂。

(2) 严格控制好制造过程中的弯制速度，否则弯管会出现应力集中，或有隐性裂纹存在。

(3) 弯管在弯制过程中，严格检测弯曲段，特别是过渡段，应进行消除应力退火热处理，以保证管子的使用寿命。

(4) 使用中尽量避免温度、流量波动范围大以及负荷不稳定。

(5) 在运行周期内，加强对关键部位(如弯头及过渡段)的检验监督，及时发现隐患，以防止管子爆裂事故的发生。