锅炉水冷壁管爆管原因浅析

陈玉良，李 昆，周剑川，黄庆富，李 亚

（普洱市质量技术监督综合检测中心，云南 普洱 665000）

锅炉是生产生活中的一种重要装置和设备。在锅炉的运行过程中存在很多不稳定的因素，如果不及时消除，可能导致锅炉事故的发生。在所有锅炉事故中，除锅炉爆炸事故外，锅炉爆管事故就是最严重的事故，也是最危险的事故[1]。锅炉爆管事故，在实际运行中，是一种较常见的事故，屡有发生，处理不当则后果惨重。如果爆管裂口较大，会损坏临近的水冷壁管，可使临近的管壁喷射穿孔，破坏设备，冲塌炉墙，造成重大财产损失和人员伤亡，并可能在短时间内造成锅炉严重缺水，使事故扩大[2]，所以查找出爆管的原因，采取有效的预防措施是非常有必要的。

某糖厂使用的一台SHS30-2.5／400-AⅡ型锅炉，1984年01月投入使用，累计运行时间近10万h。2018年榨季运行期间水冷壁管爆管，省煤器管断裂，司炉人员紧急停炉处理得当未发生进一步的安全事故。爆管事故发生后，应糖厂委托，作者对该锅炉进行了全面的内部检验，发现了爆管后的另外几处问题；对爆管及其他问题产生的原因进行了分析，针对检验发现的问题，提出了具体的处理和预防措施，为我市辖区内工况类似的其他锅炉检验提供帮助。

1 锅炉常见的爆管原因

1.1 安装制造缺陷

水冷壁管道制造过程中的砂眼或其他缺陷产生的管道质量问题；安装过程中存在的焊接质量缺陷、屏间应力不均造成鳍片撕裂并扩展至管壁导致的泄漏或爆管，锅炉结构不合理造成的水循环破坏都会导致爆管[2，3]。

1.2 材质劣化

超温超压运行使水冷壁管过热，管子长期在高温高压下工作，不但会发生蠕变、断裂和应力松弛等变形过程，而且还会发生组织和性能的变化[2，4]。比如珠光体球化、石墨化，合金元素的重新分配等。超温会使钢的持久强度和蠕变极限下降，对钢材的高温机械性能影响很大，它会加快金属在高温下的蠕变速度。孙宁等[5]研究发现：当20G水冷壁管处于550℃时，蠕变断裂时间约为750h，温度600℃时，蠕变断裂时间很短；而处于650～850℃时，蠕变断裂时间非常短（3～15min），石墨化将大大降低钢材的机械性能。石墨在基础组织中可以认为是空洞和裂缝，使钢材的强度极限、韧性都大幅下降，从而使钢材脆性增加。钢材长期在高温条件下还会发生合金元素从固溶体中逐渐向碳化物扩散，使碳化物中的合金元素逐渐增多，导致钢材的高温机械性能降低。

1.3 运行管理不当

司炉人员操作不当，锅炉升温或降温过快，炉管受热或冷却不均匀产生较大的应力造成承压部件发生疲劳破坏；炉水给水品质长期超标，水质不符合标准，没有水处理措施或对给水和锅水的水质监管不严[6]，使管内结垢甚至发生堵管或出现垢下腐蚀，致使局部热阻力增大而造成管壁过热，强度降低[7]；锅炉带病运行，明知锅炉存在安全隐患或安全保护联锁装置无效的情况下不及时处理而坚持运行。这种情况带来的后果更严重，如2016年当阳8.11锅炉主蒸汽管爆炸事件。

2 检验检测

2.1 运行情况检查

经现场询问当班司炉人员及检查事故发生前的锅炉运行记录，事故发生当天该锅炉运行正常，锅炉给水、蒸汽压力、蒸汽温度、汽水品质、炉膛温度、燃料供给等各项参数正常，未见超温超压运行。该台锅炉控制系统老旧，给水调节、燃料供给、鼓引风等均为人工调节控制。经查2018年01月外部检验报告发现，锅炉高低水位、超温、超压报警联锁装置均无效。

2.2 宏观检查

经宏观检查，水冷壁管爆管部位为锅炉右侧后至前6#管，距后墙约1.0m，爆口标高约6.0m，爆口位于直段向火侧，爆口长度约200mm，最大开口宽度约125mm，管子存在较大的弯曲变形，见图1。锅炉左右水冷壁管部分弯曲变形，最大变形量约500mm，锅炉前后部分水冷壁管存在不同程度弯曲变形，变形量均超过管子公称直径。锅炉省煤器第二级段，前至后下部4#管断裂、泄漏；上锅筒前水冷壁管胀口左至右第1#、2#、3#、4#胀口渗漏，其余部位未见异常。

图1 爆口形貌

2.3 水冷壁管厚度检测

采用MMX-6型超声波测厚仪对水冷壁管进行厚度检测，水冷壁管规格Φ57×3.0mm，材质为20#钢。右水冷壁管检测26根，测点标高5.8m，实测最小厚度2.4mm；左水冷壁管检测21根，测点标高6.0m，实测最小厚度2.5mm；前水冷壁管检测12根，测点标高6.6m，实测最小厚度2.8mm，后水冷壁管检测22根，测点标高6.0m，实测最小厚度2.6mm。测点位置见图2，检测结果见表1。

图2 测点部位示意图

表1 水冷壁管壁厚检测结果 mm

2.4 硬度检测

采用HT-2000A型便携式里氏硬度计对部分水冷壁管进行硬度检测，检测结果显示所测部位前后左位置水冷壁管硬度值偏低，右6#管硬度值明显增加。硬度检测位置标高与测厚标高一致，硬度检测位置见图3，硬度检测结果（三次平均值）见表2。

图3 硬度测点位置示意图

表2 硬度检测结果 HB

2.5 金相组织检验

采用便携式金相仪对右6#水冷壁管爆口上部100mm位置处进行金相组织检验，金相组织照片见图4。金相组织为贝氏体及部分索氏体、少量马氏体、晶粒粗大。20#钢的金相组织应为铁素体和珠光体，从检测结果来看爆口附近的金相组织已经发生变化。

图4 爆管处上部100mm位置金相组织照片

3 结果分析

3.1 金相组织分析

锅炉用20#钢材质的水冷壁管的交货状态应为热轧态，金相组织为铁素体和珠光体。通过对爆管附近管段的金相组织检验和硬度检测，可知爆口附近的金相组织异常，晶粒粗大，有贝氏体和索氏体出现，且硬度值偏高。可见爆管时由于爆口处温度较高，已经超过了AC1点，导致爆口处及爆口附近的金相组织发生相变。在正常运行时，水冷壁管外壁的温度低于相变临界点AC1，金相组织为铁素体和珠光体；当水冷壁管出现超温，超过20#钢的相变临界点AC1时，金相组织中的部分珠光体和铁素体会发生奥氏体转变，强度下降，超温运行导致管子许用应力降低而难以承受正常的工作压力发生爆管。爆口附近的金属在水汽喷射的作用下，奥氏体发生转变，由于锅炉汽水温度较高，奥氏体在转变过程中过冷度不足，奥氏体大部分转变成上贝氏体。上贝氏体相对于正常的珠光体组织，其硬度高，而脆性也较大，爆口附近向火侧金属的硬度值较高正是由于金相组织中存在上贝氏体造成的。

3.2 割管检查分析

宏观检查发现水冷壁爆管段向火面外壁发黑，外壁附着一层较薄的氧化皮，爆口处壁厚明显减薄及塑性变形明显且断面尖锐呈喇叭形（见图5），具备短时超温爆管的一般特征[8]。

图5 爆管宏观形貌

3.3 水冷壁管弯曲及胀口渗漏原因分析

水冷壁管缺水后，管子处于高温高压状态，右6#管爆管后，汽水喷射作用导致部分水冷壁管激冷后弯曲变形，水冷壁管弯曲变形产生较大拉力，导致部分胀口渗漏。

3.4 爆管原因分析

锅炉高低水位报警联锁保护装置未设置，省煤器管断裂后给水不足，司炉人员未及时发现给水异常导致锅筒和水冷壁管缺水，水冷壁管缺水后造成壁管短时过热，管子的强度和蠕变极限急剧下降，在右6#水冷壁管壁厚较薄处发生爆管事故。右6#水冷壁爆管后锅炉内压力得以释放，并对炉膛温度起到了一定的控制作用，司炉工紧急停炉后事故未进一步扩大。

4 处理及预防措施

处理措施：更换左右两侧全部水冷壁管及前后变形量超标的水冷壁管，更换省煤器，修复上锅筒水冷壁管渗漏胀口，安装并投用锅炉高低水位联锁保护装置、超压联锁保护装置。

处理后运行效果：根据上述处理措施修理后，经水压试验合格，该锅炉继续投入运行，运行情况正常，有力保证了榨季期间生产任务的顺利完成。

预防措施：使用单位加强检修质量管理，对老旧控制系统进行升级更新，加大对重点部位的巡查，对司炉人员资质及操作水平严格把关，加大对锅炉运行事故处理能力的培训；检验机构应加强省煤器、水冷壁管、过热器等重点部位的检验，及早发现存在的安全隐患，使用单位应重视检验机构提出的问题并及时整改，加强安全主体责任意识。

5 结论

通过对锅炉水冷壁管爆口宏观检查、壁厚检测、硬度检测和金相组织检验综合分析可知：水冷壁爆管的直接原因是缺水导致的短时过热，管子强度降低，爆裂失效发生在管壁最薄处。本次爆管事故客观原因是锅炉各部件老化，材质劣化引起的。主观原因是使用单位安全意识薄弱，落实安全主体责任不到位，对检验机构多次提出的应安装高低水位报警联锁装置不予重视，最后导致事故的发生。安全不是检测出来的，安全是运行维护出来的，只有使用单位提高安全意识，才能避免事故的发生。