CO 锅炉对流管束泄漏分析

任广璇，田双明，芦 千

（中国石油大港石化公司，天津 300280）

0 引言

某车间3#CO 锅炉，型号WGZ65/3.82-6，额定发汽量65 t/h，压力3.82 MPa，生产建设厂家为武汉锅炉厂。锅炉为双锅筒布置，对流管束位于上下锅筒之间，由Φ51×3.5 mm 的钢管组成，材料为GB 3087—1982，20g 低中压锅炉用无缝钢管，连接方式为胀接。1996 年投入运行，累计运行时间10 393 h，上次维修时间是2016 年8 月6 日，Φ38×3.5 mm 低温过热器炉管泄漏。2022 年2 月班组巡检发现锅炉下汽包左东北侧漏水汽，判断有对流管束泄漏。

1 对流管束泄漏情况

停炉后排查泄漏情况，最终确定泄漏管束为下汽包最外侧两根对流管，东侧泄漏点为临近钢梁焊接处（图1），西侧漏点为临近密封焊接处（图2），泄漏位置均可见明显裂纹。两处泄漏均为最外侧对流管，基本呈对称分布。

图1 对流管束东侧泄漏点

图2 对流管束西侧泄漏点

下汽包对流管束工作条件为：管内介质为除氧水（加药磷酸三钠控制：磷酸根5～15 mg/L，pH 值9～11）；温度为270 ℃；压力为3.8 MPa；管束材料为20 号钢；管束规格为Φ51×3.5 mm。管束外为烟气环境，温度为420 ℃左右。

2 管束检测分析

2.1 管束宏观和低倍形貌分析

（1）为分析泄漏原因，委托第三方对管束进行理化检测，从3#锅炉汽包对流管束上的不同部位切取了3 个管段，分别在下汽包的西侧、下汽包的东侧和上汽包的东侧。为了便于后续检验分析，将这3 个管段编为1#管、2#管、3#管（图3）。

图3 对流管束管段编号

（2）1#管：将1#管上的局部区域沿着弯管外、内弧的分界线切分为两个半管，如图4、图5 所示，管外弧侧的内壁上有很长的裂纹，裂纹出现的位置与该管外弧侧的外壁上焊接的连接板位置相吻合；管内弧侧的内壁上则未见裂纹；管的整个内壁上都布满了棕红色的锈蚀，且有一定程度的局部剥落。

图4 1#管内外壁宏观形貌1

图5 1#管内外壁低倍形貌2

（3）2#管：将2#管的局部区域沿着弯管外、内弧的分界线切分为两个半管；如图6、图7 所示，管的外弧侧内壁也出现了较小的裂纹，裂纹的位置也是在该管外弧侧的外壁上焊接的连接板处；管内弧侧的内壁上未见裂纹，但有一条棕黄色的锈斑存在；管内壁布满了棕红色的锈蚀，且局部有一定程度的剥落。

图7 2#管内外壁低倍形貌2

（4）3#管：将3#管沿着弯管外、内弧的分界线切分为两个半管，该管的内壁未见裂纹，也布满棕红色的锈蚀，且有一定程度的局部剥落（图8、图9）。

图8 3#管内外壁低倍形貌1

图9 3#管内外壁低倍形貌2

（5）1#管外弧侧内壁裂纹断口形貌如图10 所示，裂纹起源于管外弧侧的内壁，由内向外扩展；断口上有多个裂纹源，并有贝纹状的疲劳弧线；断口呈灰黑色、布满氧化腐蚀产物；因此，整个管外弧侧内壁的裂纹（断口）具有热疲劳断裂的特征。

图10 1#管外弧侧内壁裂纹形貌

（6）1#管（包括2#管）内壁裂纹出现在管子的外弧侧、又在管外弧侧连接板的焊接部位，由此推断，对流管束（弯管）裂纹的产生与该部位管子的形状、管子外弧侧外壁焊接的连接板等因素有一定的关系。

2.2 管束的材料分析

分别从3 个管段上切取块状样品，依据相关标准进行化学分析。结果表明，3 个管段的材料成分均符合20 号钢的标准要求（表1）。

表1 管束材料的化学成分 wt%

2.3 管束的金相分析

同时对1#～3#管进行金相分析，确认3 个管出现裂纹（蚀坑）的位置相同，都是在管子的内壁（管束与连接板的未焊接侧），差异只是裂纹（蚀坑）的深度不同，但裂纹（蚀坑）的性质应该是一样的。1#管内壁上裂纹（蚀坑）已经穿透管壁，造成汽包对流管束的泄漏（补焊堵漏）；而2#管、3#管内壁上的裂纹（蚀坑）还相对较浅，尚未对管束造成泄漏破坏。

2.4 管束的电镜分析

使用扫描电镜，对1#管断口及管壁裂纹（蚀坑）等进行形貌（图11）观察和元素成分能谱分析（图12）。低倍下可见断口上有圆形弧状形貌，具有疲劳断裂的特征；但在高倍下则只能看到断口上布满氧化腐蚀产物。能谱分析表明，断口的氧化腐蚀产物主要由O、Fe 元素构成，为铁的氧化物。

图11 1#管断口及管壁裂纹形貌

图12 元素成分能谱分析

3 综合分析

通过对3 根汽包对流管束进行了多项理化检验分析，认为造成对流管束开裂泄漏的主要因素是介质腐蚀、交变载荷、焊接应力等。

（1）介质腐蚀。在3 根管子的内壁布满了棕红色的腐蚀产物（铁的氧化物），尤其是在管子内壁的裂纹（蚀坑）中，腐蚀产物更多些。这些裂纹（蚀坑）既造成了管子内壁的局部应力集中而成为疲劳裂纹源，又会因裂纹扩展（蚀加深）导致管壁的减薄直至开裂，引发管内介质的泄漏。

（2）交变载荷。锅炉运行期间，因锅炉汽包及管束内介质的温度、压力等的变化，会形成不同程度的交变载荷（振动）。交变载荷的存在，易造成管束局部应力集中区域产生疲劳裂纹。

（3）焊接应力。3 根管束的裂纹（蚀坑）都出现在管束内壁（焊接处附近），且不在管束与连接板的焊接侧，对流管束与连接板的焊接是单面焊，又在对流管束弯管的外弧侧，说明管束内壁裂纹的发生和发展与管束形状、焊缝位置、焊接方式等有着重要的关系。

综合上述三方面因素的作用，使得3#锅炉汽包对流管束弯管外弧侧内壁在锅炉运行过程中产生腐蚀疲劳裂纹，并不断地扩展，直至最后造成管束管壁的减薄和开裂而发生介质泄漏。

4 结论及建议

4.1 结论

（1）3 根汽包对流管束的材料均为20 号钢，材质吻合。

（2）3 根汽包对流管束的金相组织为铁素体+珠光体。

（3）3 根汽包对流管束内壁的裂纹（蚀坑）为腐蚀疲劳开裂。

（4）对流管内介质的氧腐蚀、锅炉运行产生的交变载荷（振动对流管束与连接板的焊接位置和焊接方式而产生的局部应力集中，是造成对流管束产生腐蚀疲劳裂纹的主要因素。

4.2 建议

（1）日常加强锅炉水质的监测，做好锅炉水的除氧，尽量减少由水垢、氧腐蚀和给水中化学残留物对锅炉本体受压元件造成的各类腐蚀。

（2）合理控制每台锅炉流量，减少不必要负荷调节工作，保证锅炉压力温度平稳，使锅炉安全运行。

（3）对于锅炉各个部位的焊接处，如顶棚过热器管与鳍片的焊接、对流管束弯管与连接板的焊接等采取合理的焊接方式，减少因焊接造成相应管束的局部应力集中而产生疲劳裂纹。如采用氩弧焊代替手工电弧焊，减少焊接的热输出；采用间断焊接或跳焊代替连续焊接，避免连续焊接产生局部应力集中。