工业锅炉鼓包变形事故的分析

李晖榕，林东文

（福建省锅炉压力容器检验研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

漳州地区食品罐头业、食用菌菇业、建筑模板业等所用锅炉均以小型DZG（单锅筒纵置式）锅炉为主，且保有数量较多，在生产运行过程中，往往会出现锅炉鼓包变形事故。文中采用两台型号、材质、规格相同的锅炉，针对其锅筒底部鼓包变形，分析研究锅筒材料在外在因素作用下，通过内在因素的显微变化，最终导致失稳变形的原因。

1 检验过程与结果

1.1 现场宏观检查与分析

Ⅰ号锅炉是在停炉检修后正常燃烧一天后，发现锅筒底部出现明显鼓包变形，立即停炉检验，检验确认该鼓包变形最大高度为63mm，面积350×250mm。Ⅱ号锅炉由于鼓包变形量较小，未能及时发现，长时间保持正常燃烧状态，在正常内部检验过程中发现锅筒底部鼓包变形，变形最大高度18mm，面积330mm×230mm，如图1所示。经表面磁粉检测，确认两台锅炉锅筒变形部位均未发现有表面裂纹。现场进一步检验发现，两台锅炉鼓包变形部位的内表面均存在有较厚的水垢、泥沙或泥垢沉积，厚度为2.0mm～3.0mm，Ⅱ号锅炉锅筒底部外表面鼓包和内表面沉积见图2。因此，经外观检查判断为水垢、泥垢阻碍了热传递，导致锅筒材料的过热劣化变形。

图1 两台锅炉锅筒底部鼓包变形高度示意图

图2 锅筒底部外表面鼓包变形及内表面泥垢沉积

1.2 化学成分分析

分别对两台锅炉锅筒底部正常区域的基体（Q345R）上进行主要元素分析，分析结果见表1。

结果表明：以上两台锅炉的锅筒用材符合GB713-2008 的标准要求，选用材料不存在元素含量或偏析问题。

表1 光谱分析化学成分结果（质量分数，%）

1.3 金相检验分析

金相检验的取样位置如图1所示。从图3可知，两台锅炉锅筒底部正常区域的金相组织为：铁素体+珠光体，属于正常组织。选取变形高度10mm（D点）位置进行金相检验，结果为正常：铁素体+珠光体，说明组织未发生明显变化（见图4）。当选取变形高度分别为18mm（C点）、43mm（B点）和63mm（A点）位置进行金相检验，结果发现在变形高度大于等于18mm时，珠光体中的碳化物已分散且向晶界聚集，且已发生球化，金相组织为：铁素体+球化体及少量珠光体，A点、B点位置的球化级别为5级；其中C点位置球化程度最为严重，组织为铁素体+球化体，且铁素体晶粒长大，球化级别为6级（见图5）。

图3 E点、F点位置金相组织（500×）

图4 D点位置金相组织（500×）

图5 A、B、C点位置金相组织（500×）

1.4 硬度分析

分别对图1中所选取的位置点进行布氏硬度检测，检测结果如图6所示。从图6可知，两台锅炉锅筒底部正常区域的硬度值正常；变形高度为10mm（D点）时，与正常区域相比，硬度值仍未发生明显变化；当变形高度继续增大时，布氏硬度发生明显下降，其中C点位置的硬度下降变化最为明显，仅有110HB，这与上述的金相检验结果相符。

图6 布氏硬度测量值对比图

2 原因分析与结论

2.1 外部因素

从外部因素来看，通过现场检验和咨询发现，两台锅炉给水均采用地下水水质，未经过滤和软化水处理，给水中带有一定的泥沙或泥垢，同时日常运行中疏于管理，未对锅炉进行有效的定期排污。因此，在锅炉运行过程中，锅内水不断蒸发浓缩，水中盐类过饱和之后，析出沉淀形成水垢和大量沉积物覆盖于底部受热面。水垢、泥垢的导热性极差，热阻是锅炉用钢的40-100倍左右，高热阻使得锅筒底部直接受火焰加热部分的金属不能及时、有效的冷却，造成壁温过高，超过允许使用温度（430℃）。

2.2 内部因素

由于外部因素的影响，导致锅筒底部金属一直处于受热不均匀状态，变形部位壁温过热，具有较大的热应力[1]，不可避免的会导致材料的劣化，具体分析如下：

（1）从锅筒底部正常区域的化学元素成分分析结果判断，各元素含量和GB713中的Q345R钢的化学成分相符。且从该部位的金相检验结果可知，材料金相组织为：铁素体+片状珠光体，也完全符合材料标准要求。因此，可以排除锅筒材料的材质问题。

（2）由金相检验结果分析，鼓包变形部位的珠光体中的碳化物已分散且向晶界聚集，且已发生球化，最严重处球化级别为6级，判定变形部位发生了明显的材料过热劣化现象。

（3）从硬度测量结果可知，鼓包变形部位的硬度值相比于正常区域明显下降，认为相应的材料冲击韧度也会下降，这与金相检验结果相符，说明材料组织的劣化对其性能具有较大影响。

（4）对于Ⅱ锅炉较低变形高度18mm（C点）的位置，其金相检验和硬度测量结果均低于变形高度较大的Ⅰ号锅炉，分析认为，这是由于Ⅱ锅炉更长时间处于 AC3 左右的高温，随着时间的延长，组织变化更为彻底，性能下降更为严重。

综合上述分析，两台锅炉在高温状态下，由于冷却不足，材料金相组织会发生变化，强度下降，无法满足使用强度，这时，即使工作压力不超过额定压力，金属晶体也会发生塑性流动直至变形。

3 整改措施

（1）按照《锅炉定期检验规则》的要求，对上述两台锅炉挖补修理，并彻底清除锅筒底部的泥沙或泥垢[2]。

（2）针对锅炉水侧进行物理或化学清洗，彻底清除水垢。

（3）完善锅炉水处理系统。通过加装锅外钠离子水处理设备，对锅炉给水进行处理，也可联合加药处理，以确保锅炉给水符合 《工业锅炉水质》的要求，并完善日常管理，加强运行中定期排污。

（4）使用单位必须配备专职的水质化验员，做好水质化验工作，加强水质管理，防止水质超标。

（5）对锅炉司炉人员加强教育培训，提升其技术水平和责任心。

4 结语

上述两台锅炉均已修理且经监督检验合格，并重新投入使用，有效地避免了安全事故。但对锅炉的修理既耗时、耗力，又影响企业的正常生产，造成了一定程度的经济损失。因此，使用单位在生产过程中更应该加强对于锅炉的日常维护和运行保养。同时，应积极主动同检验单位加强沟通联系，及时申报、配合检验，确保锅炉正常、可靠的运行。

综上所述，上述两台锅炉均为日常运行管理不规范引起的锅筒底部结垢和泥沙、泥垢沉积，导致锅筒底部受热面过热、过烧而形成鼓包变形。