一臺WNS型鍋爐材質劣化事故分析

張 旭 許崇濤 陳志剛 毛富杰 蕭艷彤

（天津市特種設備監督檢驗技術研究院 天津 300192）

近幾年隨著對環境保護的重視，清潔高效的燃氣鍋爐應用越來越廣泛，其作為特種設備具有很高的危險性和危害性。筆者對天津市某臺燃氣蒸汽鍋爐事故進行了調查和技術分析，討論了事故發生的原因并提出了相應的處理意見。

1 事故概況介紹

發生事故的鍋爐為WNS2-1.0-Y/Q型臥式內燃鍋爐，操作介質為水/水蒸氣，額定工作壓力為1.0 MPa，使用壓力為0.45MPa。爐膽的規格及材質為：爐膽外徑：Dw=820mm，取用壁厚：10.0mm，爐膽材質：20g。

據介紹，該鍋爐運行過程中有異味產生，司爐工隨后發現右側直讀式水位計已無水位顯示，左側水位計顯示正常水位，司爐工立即進行停爐操作。該鍋爐的自動上水和高、低水位報警及連鎖保護裝置信號均引自左側水位表。

現場檢查發現鍋爐爐膽上方偏左側（從前向后看）約15°方向后數1～6波紋局部向爐膽火側凸出變形，最大局部變形量為30mm，環向變形長度為250mm，見圖1。檢查鍋爐水側基本無水垢，未見煙管變形現象。

圖1 爐膽變形圖

經分析認為，左側水位表連管發生了堵塞，形成假水位導致保護裝置未啟作用。經查，使用單位未能按照《鍋爐使用管理規則》要求建立鍋爐使用安全管理制度以及管理記錄等。司爐工未落實水位表定期沖洗工作，致使發生鍋爐缺水，爐膽發生變形。

2 鍋爐材質狀況分析

2.1 金相分析

鍋爐運行時，鍋爐用鋼材在長期高溫的作用下會發生珠光體球化、過熱及過燒等現象。珠光體是片狀滲碳體和鐵素體的機械混合物，珠光體球化是由于片狀滲碳體是不穩定的組織，在長期高溫作用下逐漸自發趨向球化，球化后鋼材的抗拉強度、屈服強度等均會下降。過熱是指加熱溫度超過900℃時，奧氏體晶粒變粗，而過燒發生在更高的情況下，一般超過1200℃，此時不僅奧氏體晶粒變粗，晶界會被氧化或融化，出現裂紋，出現過燒現象的鋼材只能報廢[1]。

鍋爐缺水過程中水位逐漸下降，回燃室上部為最先缺水干燒部位，之后依次是煙管，爐膽頂部（如已變形部位）。現場宏觀檢驗未發現煙管火側和水側有過熱、變形等跡象，加之煙管的綜合受熱、受力情況優于回燃室和爐膽。因此僅選擇了鍋爐爐膽未變形部位（底部后數第2個波紋處背火面）、變形量最大部位（爐膽上部倒數第五個波紋迎火面）、回燃室前管板煙氣側（最先缺水部位）三個部位進行了金相檢測。

1)鍋爐爐膽未變形部位（底部后數第2個波紋處背火面）的金相組織見圖2，組織為典型的鐵素體＋珠光體，為低碳鋼正常組織。

2)變形量最大部位（爐膽上部倒數第五個波紋迎火面）的金相組織見圖3，未見裂紋與過熱、過燒現象，珠光體區域中的碳化物已明顯分散，并向晶界聚集，珠光體形態尚保留，根據DL/T 674—1999《火電廠用20鋼珠光體球華評級標準》，已達到中度球化（4級）。

圖2 爐膽未變形部位金相組織

3)回燃室前管板煙氣側（最先缺水部位）金相組織見圖4，與爐膽金相組織相似，已達中度球化（4級）。

圖3 爐膽變形量最大部位金相組織

圖4 回燃室前管板煙氣側的金相組織

2.2 硬度檢測

受壓元件的材質劣化會引起強度和硬度的降低，表1選取了具有代表性的4個點進行了硬度檢測（里氏硬度）。

表1 不同部位硬度值

由表1可見，爐膽最大變形處硬度值小于爐膽波紋未變形處，回燃室前管板上部的硬度值小于前管板下部。根據GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》、GB/T 17394.4—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第4部分：硬度值換算表》和GB/T 16508—1996《鍋殼鍋爐受壓元件強度計算》，通過硬度推算與修正得到上述兩部位的常溫基本許用應力分別為126MPa和 130MPa。根據 GB/T 16508—1996《鍋殼鍋爐受壓元件強度計算》，20g的常溫基本許用應力為148MPa，分別高于爐膽和回燃室22MPa和18MPa。此處將該差值用于推算計算壁溫下的基本許用應力值，詳見表2。

表2 許用應力表 MPa

2.3 強度校核計算

鍋爐受壓部件雖發生材質劣化，但并未達到報廢的程度，根據可用性原則，可進行強度計算，使鍋爐在限制條件下運行。

根據實測硬度值推算的抗拉強度值對爐膽變形部位和回燃室前管板進行強度校核計算，計算采用原設計標準GB/T 16508—1996《鍋殼鍋爐受壓元件強度計算》進行校核。

1)根據爐膽校核計算。

式中：t —— 設計值，10mm；

Dw—— 爐膽外徑，820mm。計算得到 [p]=1.28MPa，強度滿足設計要求。

波紋爐膽無需進行穩定性校核，原設計爐膽的慣性矩裕度較大，變形處不再進行慣性矩校核。

2)根據回燃室管板校核計算。

式中：t —— 設計值，16mm；

KdJ—— 假想圓系數，148.35mm。

計算得到[p]=0.92MPa，強度不滿足設計要求，需要降壓使用。

由于沒有對爐膽慣性矩進行校核，材質劣化情況下的許用應力為推測值等原因，將安全系數取為2，修正后的允許工作壓力為0.46MPa。

3 事故原因分析及處理意見

造成此次事故的直接原因是左側水位表水位顯示異常，造成自動上水和高、低水位報警及連鎖保護裝置動作失靈，鍋爐內水位不斷降低，鍋爐缺水部位材質在高溫下發生劣化。間接原因在于，進入爐膽火側檢驗時發現燃燒器安裝存在偏置，火焰偏置方向沖向爐膽變形位置，爐膽缺水時，高溫火焰使得爐膽材質劣化、強度降低，最終爐膽在外壓的作用下發生失穩[2]，導致爐膽變形。造成此次事故的根本原因在于，鍋爐司爐人員未按規定定期沖洗壓力表，安全巡查工作不到位，未對兩個只讀水位表水位對比，未能及時發現水位表的假水位和水位異常情況；最根本原因在于使用單位未能按照《鍋爐使用管理規則》要求建立鍋爐使用安全管理制度以及管理記錄等，縱容了司爐人員違反相關的安全操作規程，導致發生此次事故。

由于爐膽及回燃室已出現材質劣化現象，根據強度計算的分析結果，該鍋爐可在限制壓力下運行（最高工作壓力不超過0.46MPa），另根據鍋爐的狀況和使用單位的使用情況，提出5條處理意見和改進措施。

1）該鍋爐爐膽變形量已超出《鍋爐定期檢驗規則》第2.6.3.2條關于筒體變形的規定，應將變形部位進行修理并經水壓試驗合格后方能使用。

2）調整燃燒器，防止燃燒器火焰偏置，造成火焰直接沖刷受熱面。

3）將鍋爐自動上水和高、低水位報警及聯鎖保護裝置的信號引自不同信號源，防止水位信號管路堵塞，造成所有水位安全保護裝置失靈。安全附件應定期進行試驗以驗證靈敏度。

4）原安全閥壓力級別過高，應更換降壓后壓力等級的安全閥并經校驗后鍋爐方可使用。

5）加強鍋爐房管理工作，根據現行法規建立各項管理制度與記錄，落實水位表定期沖洗等工作。

4 結束語

本次事故是由于安全保護裝置失靈導致鍋爐缺水，使得受壓部件材質劣化、失穩變形。安全保護裝置的靈敏與有效對于保障鍋爐安全穩定地運行起著重要的作用。一些使用單位在日常的使用過程中對于安全附件的定期試驗并未給予足夠的重視，導致鍋爐事故時有發生，因此使用單位應加強鍋爐房的管理工作，同時檢驗人員在定期檢驗的過程中，也應將檢驗工作落實到位，審查使用單位的鍋爐運行管理記錄，并現場監督操作人員對安全附件進行試驗，保障鍋爐的安全運行。

[1] 陳麗娜，馬文慧，李詠梅，等.鍋爐受壓元件材質劣化研究及實例[J].輕工科技，2011(08)：35-36.

[2] 毛富杰.立式鍋爐爆炸事故分析[A].2013年全國失效分析學術會議論文集[C].中國機械工程學會理化檢驗分會、中國機械工程學會失效分析分會，2013.