锅炉水冷壁爆管原因

单诗剑, 王子豪, 刘有龙, 孟繁琦, 单思珂, 刘 忠

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院, 北京 102206)

锅炉受热面是锅炉热量交换的载体，其长期处于高温、高压的工作环境，容易受到各种因素的影响而出现失效现象。据统计，在锅炉的失效事故中，70%均为受热面失效[1]。受热面失效的主要原因有长时或短时温度过高、腐蚀、疲劳、结垢、磨损等，且这些失效的受热面都有较为明显的特征和失效机理[2]，大量文献对这些受热面失效的原因进行了分析[3-7]，但对于异物堵塞造成的受热面失效的研究较少。

某电厂发生爆管的锅炉为CFB(循环流化床)锅炉。水冷壁爆管口位于该锅炉前墙，水冷壁管设计材料级别为SA210A-1级，规格为50.8 mm×4.19 mm(外径×壁厚)，水冷壁工质进口压力为13 MPa，进口温度为292 ℃，爆管前水冷壁管已累计运行了63 571 h。

由锅炉车间提供的数据可知：该锅炉近半年未发生过超负荷运行，半年平均负荷率为74.85%；锅炉给水为母管给水，切泵时未发生过给水压力不足的现象；锅炉水冷壁管无壁温监测系统；锅炉底部床层和炉膛烟气出口处设有温度监测系统，底部床层温度为850～910 ℃，炉膛烟气出口处温度约为880 ℃。

为查明该锅炉水冷壁爆管的原因，笔者对失效管及其相邻管进行了理化检验，并对传热过程进行了数值模拟。

1 理化检验

1.1 宏观观察

爆管现场照片如图1所示，其中b管为失效管道，a，c管为其相邻管道。对水冷壁外管墙面进行观察，发现在爆口处附近外墙面的红棕色保护墙变黑，这是因为炉管外墙面遇到爆管泄漏的水后在高温下变黑，观察外墙面并没有明显腐蚀或者磨损现象，表明烟气侧未发生故障。与爆管相邻的a，c管外壁存在明显的沟槽状冲刷痕迹，靠近爆口侧的沟槽边缘较为圆滑，远离爆口侧的沟槽有明显棱角，说明沟槽是b管泄漏后工质向两侧冲刷引起的。

图1 爆管现场照片

爆口的宏观形貌如图2所示，由图2可知：爆口位于水冷壁管向火面，经测量，爆口长为60 mm，宽为25 mm，呈喇叭口状，边缘明显减薄，爆口略偏离管子中心轴线，整体呈塑性开裂特征，爆管外表面无明显冲刷痕迹，同时内、外壁氧化皮厚度较薄，且在爆口附近没有看到平行于爆口的纵向裂纹。进一步对爆口边缘进行壁厚测量，在爆口上侧沿顺时针方向测量一周，发现爆口边缘的最小壁厚仅为1.2 mm，位于左侧凸起的中间部位。

图2 爆口宏观形貌

对b管爆口部位及c管的相同位置取样进行剖管检查(见图3)，由图3可知，b管向火面内壁存在明显的氧化皮剥离痕迹，有氧化皮脱落留下的凹陷和孔洞，c管向火面内壁呈红棕色，表面较为光滑，无腐蚀迹象。

图3 b，c管向火面内壁宏观形貌

1.2 化学成分及力学性能测试

b管的化学成分如表1所示，符合标准ANSI/ASTM A210—1996 《锅炉和过热器用中碳素无缝钢管规范》的要求。在b管距爆口处上、下未鼓包区域各截取一段炉管，以加工力学性能试样，分别对向火面和背火面进行力学性能测试，结果如表2所示。测试结果表明，这些部位的断后伸长率、屈服强度、抗拉强度、硬度等均符合标准ANSI ASTM A210/A210M的要求。

表1 b管的化学成分 %

表2 b管的力学性能测试结果

1.3 金相检验与能谱分析

b，c管的显微组织如图4所示，由图4可知：爆口处为正常的铁素体+珠光体，珠光体球化程度为2.5级，未出现魏氏组织或贝氏组织，说明在爆管前温度未达到SA210A-1钢的临界温度730 ℃。同时，珠光体呈与爆口方向一致的纵向线性分布。b管远离爆口处微观形貌和c管的微观形貌都为正常的铁素体+珠光体，由于炉管长时间运行，因此也存在2.5级的轻度球化现象。

图4 b，c管的显微组织

b，c管内壁产物的能谱分析(EDS)结果如表3，4所示，由表3，4可知：b管内壁产物主要含有铁、氧元素，还有少量碳、钙等元素；结合X射线衍射仪对b管及c管内壁产物进行成分分析，发现b管内壁产物主要为Fe3O4，c管内壁产物主要为Fe2O3。由于没有发现大量氯离子和磷酸根离子，且在以往的水质检测记录中，炉水的pH为9～11，因此排除了给水品质不合格的影响。

表3 b管内壁产物的EDS结果 %

表4 c管内壁产物的EDS结果 %

1.4 管道和联箱检查

在对管道其余部位进行检查时，发现b管和未爆炉管的向火面均出现鼓包现象(见图5)。对b管所在的下联箱进行内窥镜检查，发现在周围水冷壁管入口处卡着一块异物(见图6)。异物尺寸约为40 mm×40 mm×20 mm，其主要成分为CaCO3和Ca3(PO4)2。

图5 b管及其他炉管鼓包外观

图6 水冷壁管入口处异物宏观形貌

2 基于FLUENT软件的传热模拟分析

2.1 传热过程

传热过程大致分为以下3个部分。

(1) 炉膛内部高温烟气对水冷壁壁面的传热。发生爆管的是水冷壁管，因为烟气流速较慢，对壁面的对流换热量不大，主要以热辐射为主。有研究表明:水冷壁热辐射产生的换热量占总换热量的95%以上[8]，因此在模拟时只考虑壁面热辐射的影响，换热量主要取决于炉内烟气的温度。

(2) 炉管内壁的热量传递方式为热传导，其速率与炉管材料的导热系数有关。

(3) 水冷壁管壁内部工质的传热情况较为复杂，受固体物堵塞的影响，既有工质与管道、工质与堵塞物的对流换热，也有堵塞物与内壁面的热传导，同时堵塞物的具体形状和其在内壁中的堵塞情况也不明确。

2.2 传热模型及边界条件

对外径为50.8 mm，壁厚为4.19 mm的管道及其实际鳍片进行建模，对堵塞异物进行等体积简化，同时模拟爆管时异物卡住的情形。在炉管内壁与固体堵塞物接触面处，由于接触面积较小，因此将堵塞物与接触面的接触状况简化为点与面的接触，管道传热模型如图7所示。

图7 管道传热模型

水冷壁的进口压力设置为13 MPa，进口温度设置为292 ℃，出口为自由出口。流化床炉内温度低于一般锅炉，由温度检测系统可得，底部床层温度为850～910 ℃，炉膛烟气出口处温度约为880 ℃，因此设定水冷壁及其鳍片的向火面一侧为受热壁面，其热量来自于880 ℃的热辐射。

2.3 模拟结果

炉管稳态时的温度分布数值模拟结果如图8所示，由图8可知，炉管向火面的温度为559～879 ℃。当水冷壁温度为550 ℃时，其对应的许用应力为12.7 MPa[9]，小于水冷壁的工作压力13 MPa。即在异物堵塞的局部范围内，由于这部分壁面温度升高，因此其受到的应力大于许用应力。

图8 炉管稳态时的温度分布数值模拟结果

3 综合分析

结合内壁产物成分分析与水质pH检测，爆管原因并非为给水品质不合格。b管向火面爆管处的氧化皮脱落，其他管壁表面较为光滑，b管内壁产物主要为Fe3O4，其他管壁内壁产物主要为Fe2O3，这是因为向火面局部高温导致致密的Fe2O3氧化层转化为疏松多孔的Fe3O4氧化层。

根据强度校核及数值模拟结果，可推测爆管时爆口附近向火面温度超过550 ℃，综合推测爆管时向火面温度为550～730 ℃。

结合数值模拟可知：异物存在于炉水循环管道中，随着工质的流动，在可能位置发生堵塞现象，而堵塞造成炉水流通不畅，管壁局部温度过高导致工作压力超过550 ℃时，对应温度下的许用应力为12.7 MPa，在压力及堵塞物的共同作用下，炉管出现鼓包现象，炉管管壁壁厚减薄，管内体积增大，异物脱离并滚落至下一个堵塞点，循环这个过程，直到炉管管壁承受不住压力发生爆管。

4 结论

(1) 爆管的化学成分和力学性能均符合标准要求；内壁产物的化学成分与水质检测记录表明爆管原因与给水品质无关。

(2) 爆管和其他管道均出现鼓包现象，且在下联箱的管道入口处发现有固体异物堵塞，故推测固体堵塞物是造成这次爆管的根本原因；异物堵塞后的工质流通不畅，引发的局部温度过高以及堵塞物对管道挤压作用是造成这次爆管的直接原因。

(3) 结合上述理化检验和传热模拟分析，可发现管道局部温度对应的许用应力低于工作压力，证实了这次爆管原因为异物堵塞。