一起鍋爐爆管原因分析及對策

李 杰 顧素蘭 陸 頻

（上海金藝檢測技術有限公司)

一起鍋爐爆管原因分析及對策

李 杰*顧素蘭 陸 頻

（上海金藝檢測技術有限公司)

對一起鍋爐爆管事故的原因進行了分析，對存在的問題提出了改進措施，以期減少該類事故的發生，保證鍋爐的正常運行。

鍋爐 水管 爆管 事故 壓力容器

0 前言

某工業鍋爐在使用過程中發生了爆管現象，一根強制冷卻管和一根水冷卻管各有一處破裂，且二處破裂點為相向對應部位。鍋爐爐管的部位見圖 1。該鍋爐額定蒸發量 5.96 kg/h，蒸汽溫度234.5℃，額定出口蒸汽壓力2.94 MPa，使用時間已超過15年。

圖1 鍋爐爐管

1 宏觀檢查

（1）水冷壁管：泄漏破口呈圓孔狀，表面孔徑大，內部孔徑小，破口處管壁明顯減薄。水冷壁管破口詳見圖2。

圖2 水冷壁管破口形貌

（2）強制循環管：破口呈長方形，破口處管壁由內向外翻起，破口部位側管道外部可見明顯的沖刷腐蝕的痕跡 （長度約120 mm，寬度約1/3周長），管壁厚度明顯減薄，破口處可見管壁最薄小于0.5 mm；管子內壁存在較厚的一層白色結垢物，最厚處約為3 mm。強制循環管破口形貌詳見圖3、圖4。

圖3 強制循環管破口形貌

圖4 強制循環管破口橫截面形貌

2 化學成分分析

查設計資料，水冷壁管、強制循環管材料均為S-TEN1。按GB/T 4336—2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法》標準，對水冷壁管、強制循環管進行光譜分析，化學成分如表1所示。

將管線材料化學成分與S-TEN1材料對照分析可見，基本滿足要求。

3 硬度檢測

在強制循環管 （取一處）、水冷壁管 （取爐膛側、爐膛外側各一處）上取樣，詳見圖5、圖6，進行硬度檢測，按照GB/T 231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》標準，實測硬度值如表2所示。

從檢測結果可見，水冷壁管 （爐膛側）和強制循環管的硬度值均降低。

4 掃描電鏡腐蝕產物分析

對強制循環管內壁結垢物進行掃描電鏡分析可知，主要成分為O、Ca、C，少量成分為S、Mg、Si、Na，微量成分為Al。能譜分析詳見圖7。

表1 水冷壁管和強制循環管材料化學成分 （%）

圖5 水冷壁管取樣部位

表2 水管實測硬度值

圖6 強制循環管取樣部位

從掃描電鏡結果來分析，內壁結垢物層應為鈣鎂混合物及硅酸鹽類等混合物。

5 金相及硬度檢測

管道材料為S-TEN1，供貨狀態下鋼的顯微組織狀態一般是鐵素體 （F）+珠光體 （P），珠光體主含量控制在15%左右。

圖7 能譜分析部位及能譜分析圖譜

（1）強制循環管：破口和非破口部位。

① 強制循環管內壁存在氧化腐蝕凹坑及較厚的結垢物層 （即水垢，從掃描電鏡結果分析，應為鈣鎂混合物及硅酸鹽類等），外壁存在氧化現象，破口處管壁明顯減薄。

② 強制循環管破口處及非破口處管子的金相組織均為鐵素體、珠光體、球化體，見圖8～圖10。參照DL/T 674—1999《火電廠用20#鋼珠光體球化評級標準》，其球化級別評為3.0級，屬輕度球化。同時，參照GB/T 6394—2002 《金屬平均晶粒度評級標準》，組織晶粒度評為8級，組織晶粒度較細。 材料中的非金屬夾雜物， 參照 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，評為 D1.5級 （硅酸鹽類）。同時，可見管子內壁有氧化腐蝕凹坑及較厚的結垢物層，外壁存在氧化現象，見圖11。

（2）水冷壁管：破口和非破口部位。

① 水冷壁管爐膛外側管子的內外壁均存在氧化但無氧化裂紋，爐膛側管子的內外壁均存在氧化裂紋，破口處內外壁也存在氧化裂紋，且破口處管壁明顯減薄，管壁的減薄由外向內形成凹坑。

圖8 強制循環管橫向內壁組織形貌（250×）

圖9 強制循環管橫向外壁組織形貌（250×）

圖10 強制循環管破口處組織形貌（250×）

圖11 強制循環管破口處橫向內壁形貌（50×）

② 水冷壁管爐膛外側管子的金相組織為鐵素體、珠光體、球化體；水冷壁管爐膛側管子的金相組織與破口處基本相同，均為鐵素體、球化體，珠光體形態基本消失，鐵素體晶界及晶內存在球狀碳化物并逐漸長大。參照DL/T 674—1999《火電廠用20#鋼珠光體球化評級標準》，爐膛外側管子的球化級別評為3.0級，屬輕度球化；爐膛側、破口處管子的球化級別評為5.0級，屬完全球化，見圖12～圖15。參照GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度評級標準》，爐膛外側管子的組織晶粒度評為8級，組織晶粒度較細；爐膛側管子的組織晶粒度評為4～5級，組織晶粒度已長大。材料中的非金屬夾雜物，參照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，評為A1.5級 （硫化物類）、D1.5級 （硅酸鹽類）。

圖12 水冷壁管爐膛外橫截面管子內壁組織形貌（100×）

圖13 水冷壁管爐膛外橫截面管子外壁組織形貌（100×）

圖14 水冷壁管爐膛側破口處橫截面組織形貌（250×）

圖15 水冷壁管爐膛側管子內壁氧化裂紋形貌（100×）

6 破口原因分析

（1）強制循環管：內壁存在氧化腐蝕凹坑及較厚的結垢物層 （即水垢，從掃描電鏡結果分析，應為鈣鎂混合物及硅酸鹽類等），外壁存在鍋爐煙氣的沖刷腐蝕 （長度約120 mm，寬度約1/3周長），使管壁厚度明顯減薄 （破口處管壁小于0.5 mm）。鍋爐運行時，由于結垢物的存在，使管子的導熱能力急劇下降。物體的導熱能力通常用導熱系數表示。物體的導熱系數值越大，說明該物體的導熱能力越強。鋼鐵與各類水垢的導熱系數為：鋼鐵47～52 W/（m·K），硫酸鹽0.58～2.33 W/（m·K）；碳酸鹽0.47～0.70 W/（m·K）；硅酸鹽0.27～0.47 W/（m·K）。可以看出水垢的導熱系數是鋼鐵的近1／100。垢層增厚，傳熱能力會顯著降低，同時管子壁溫也會增高，使管子承壓強度降低。此外，管道該部位還受到煙氣的沖刷，致使厚度減薄，最終在多種因素共同作用下導致該部位破裂。

（2）水冷壁管：水冷壁附近的煙氣成分 （如H2S、SO2）以及水冷壁的溫度是水冷壁管外側出現氧化腐蝕的原因。從管子破裂處形貌可見，強制循環管破裂后，噴出的蒸汽沖蝕以及管子已存在的氧化腐蝕共同導致了水冷壁管的破裂。

7 幾點建議

（1）嚴格執行GB/T 1576《工業鍋爐水質》標準，把住水質關。 （2）避免鍋爐水位過低，造成局部管壁溫度過高。 （3）要定期 （1～2年）對受熱面管子及破口管更換部位進行檢查，如進行管道的超聲測厚、滲透檢測、金相檢測、硬度檢測等，必要時進行割管檢查，以了解管內結垢與腐蝕情況，若發現異常情況，應及時換管。

Analysis and Strategy of Boiler Pipe Explosion

Li Jie Gu Sulan Lu Pin

According to the analysis of boiler pipe explosion,puts forward improvement measures for existing problems,hoping to reduce the similar accidents and ensure the normal operation of boiler.

Boiler;Pipe;Pipe explosion;Accident;Pressure vessel

TK 22

2014-04-03）

*李杰，男，1974年生，工程師。上海市，201900。