工業(yè)鍋爐煙管彎曲變形失效分析

趙昆玉 邱康勇

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029）

工業(yè)鍋爐煙管彎曲變形失效分析

趙昆玉 邱康勇

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029）

工業(yè)鍋爐運(yùn)行中發(fā)生煙管彎曲變形失效。借助化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)等對(duì)其彎曲變形的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該工業(yè)鍋爐煙管彎曲變形是因?yàn)楣鼙跍囟容^高，在煙管重力和熱應(yīng)力長(zhǎng)期作用下的結(jié)果。

工業(yè)鍋爐 煙管 彎曲變形

2015年10月，深圳某熱力發(fā)電廠在用工業(yè)鍋爐的二、三回程煙管發(fā)生大量彎曲變形失效。該工業(yè)鍋爐型號(hào)為WNS12-1.25-Y(Q)，采用三回程管板式結(jié)構(gòu)，煙管采用20#無縫鋼管，二回程煙管為螺紋管，規(guī)格為φ51×3mm，長(zhǎng)5200mm；三回程煙管為直光管，規(guī)格為φ51×3mm，長(zhǎng)5912mm。二回程和三回程煙管固定在管板上，中間無支撐。該鍋爐累積運(yùn)行10余年，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間9300多小時(shí)，起先作為啟動(dòng)鍋爐使用，使用頻率較低。由于生產(chǎn)需要。自2013年起轉(zhuǎn)為正常鍋爐使用，每天運(yùn)行10多小時(shí)，使用頻率高，鍋爐負(fù)荷較大。

為查明該工業(yè)鍋爐煙管彎曲變形失效原因，防止失效事故損傷的擴(kuò)大，并預(yù)防類似失效事故再次發(fā)生，筆者對(duì)發(fā)生彎曲變形失效的煙管進(jìn)行理化性能、顯微組織等方面分析研究。

1 宏觀檢測(cè)

打開頂部人孔，從頂部進(jìn)入鍋爐內(nèi)部，對(duì)二、三回程煙管變形情況進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果表明：鍋爐二、三回程煙管發(fā)生變形的數(shù)量較多，彎曲變形，彎曲量最大位置近似在煙管中間部位，在近管板的兩端區(qū)域，存在局部上翹變形（見圖1）。

圖1 鍋爐二、三回程煙管彎曲變形情況

打開鍋爐前后蓋，采用煙管透光性對(duì)其彎曲變形情況進(jìn)行逐根檢查（因二回程進(jìn)口煙室在三回管管板后面，無法采用此方法對(duì)其彎曲變形情況進(jìn)行檢查，因此在鍋爐外部只能對(duì)三回程煙管變形情況進(jìn)行檢查）。三回程煙管分布在鍋爐外圍兩側(cè)，兩側(cè)彎曲變形情況基本一致，檢查結(jié)果分為四個(gè)區(qū)域：最上部紅色區(qū)域?yàn)椴煌腹鈪^(qū)域，彎曲變形最嚴(yán)重；較上部紫色區(qū)域?yàn)榱阈峭腹鈪^(qū)域，說明該區(qū)域彎曲變形比較嚴(yán)重；黃色區(qū)域?yàn)榘胪腹鈪^(qū)域，說明該區(qū)域彎曲變形相對(duì)較輕；其他區(qū)域?yàn)榻迫腹鈪^(qū)域，說明該區(qū)域僅發(fā)生輕微彎曲變形（見圖2）。由此可見，三回程煙管變形由下到上煙管彎曲變形日益加重，最上部為不透光區(qū)域。

圖2 三回程煙管分布情況

已拆卸的二、三回程煙管也顯示煙管變形明顯，圖3為一根三回程煙管變形情況，相對(duì)兩端，最大彎曲量達(dá)到18cm。

圖3 三回程煙管變形情況

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

分別從二回程、三回程煙管上取樣，采用臺(tái)式光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明：二、三回程煙管化學(xué)成分均符合GB 3087ü 2008對(duì)20#鋼的技術(shù)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果Wt/%

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

分別在二、三回程煙管變形較小的直管段取樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以核查材料的力學(xué)性能是否滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果表明：二、三回程煙管的材料力學(xué)性能GB 3087ü2008對(duì)20#鋼的技術(shù)要求。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 金相組織分析

分別對(duì)二回程最大變形煙管、最小變形煙管及三回程最大變形煙管進(jìn)行金相分析，經(jīng)鑲嵌、磨拋，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，用蔡司光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察分析。由于煙管內(nèi)是高溫?zé)煔猓瑹煿芡馐抢鋮s鍋水和蒸汽，金相組織可能存在差異，因此，金相分析區(qū)域分為煙管外表面、煙管中間部位及煙管外表面三個(gè)部分。

●2.3.1 二回程最大變形煙管

由于二回程進(jìn)口處溫度最高，考慮管和管板之間的熱應(yīng)力因素，二回程最大變形煙管取進(jìn)口段向上翹起處以及翹起處向中間方向200mm處進(jìn)行金相組織分析，顯微組織見圖4~圖6。

圖4 二回程最大變形煙管外表面500X

圖5 二回程最大變形煙管中間部位 500X

圖6 二回程最大變形煙管內(nèi)表面500X

圖4表明，靠近外壁出現(xiàn)晶粒大小不一，熔合長(zhǎng)大的混晶區(qū)域，該處發(fā)生了恢復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象，再結(jié)晶區(qū)深度約為0.25mm，表面二回程煙管出現(xiàn)了短時(shí)高溫影響，根據(jù)Fe-C平衡圖可知，其溫度應(yīng)在700℃以上。圖5 ~圖6表明，在中間部位和內(nèi)表面未見恢復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)生。從圖4 ~圖6可知，該處煙管帶狀組織傾化從外表面到內(nèi)表面越來越大，煙管外表面晶粒為近似等軸晶，而內(nèi)表面的帶狀組織近似3級(jí)。參照DL/T 674ü1999《火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》可知，該處煙管內(nèi)表面球化級(jí)別為2~3級(jí)。

圖7 ~圖9為二回程最大變形煙管向上翹起處向中間方向200mm處的金相組織。從圖7~圖9可知，該處煙管恢復(fù)再結(jié)晶的區(qū)域程度要比翹起處小得多。而帶狀組織分布情況及球化情況與二回程最大變形煙管進(jìn)口端向上翹起處相類似。

圖7 二回程外表面（100X）

圖8 二回程中間部位（100X）

圖9 二回程內(nèi)表面（100X）

●2.3.2 二回程最小變形煙管

圖10 ~圖12為二回程最小變形煙管進(jìn)口端處從外表面、中間部位到內(nèi)表面的金相組織分布圖。從圖10 ~圖12可知，二回程最小彎曲變形煙管外表面未發(fā)生恢復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象，靠近外表面處為等軸晶粒，向內(nèi)有帶狀組織趨向，從中間部位到內(nèi)表面，帶狀組織級(jí)別越來越高。

圖10 二回程最小變形煙管外表面（500X）

圖11 二回程最小變形煙管中間部位（500X）

圖12 二回程最小變形煙管內(nèi)表面（500X）

●2.3.3 三回程最大變形煙管金相分析

三回程最大變形煙管取進(jìn)口端向上翹起處進(jìn)行金相分析，金相觀察區(qū)域?yàn)樵撎帣M截面外表面部位、中間部位及內(nèi)表面部位，見圖13 ~圖15。

從圖13 ~圖15可知，三回程煙管帶狀組織分布比二回程煙管小得多，從外表面到中間部位，皆為等軸晶分布，僅在內(nèi)表面出現(xiàn)帶狀組織，帶狀組織級(jí)別也明顯比二回程煙管內(nèi)表面帶狀級(jí)別低。參照DL/T674ü1999《火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》可知，該煙管從外到內(nèi)，球化都比較嚴(yán)重，珠光體球化級(jí)別可達(dá)4級(jí)。

圖13 三回程最大變形煙管外表面（500X）

圖14 三回程最大變形煙管基體（500X）

圖15 三回程最大變形煙管內(nèi)表面（500X）

3 分析與討論

化學(xué)成分分析和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明鍋爐煙管20號(hào)鋼滿足GB 3087ü2008的相關(guān)要求。《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，20#鋼作為受熱面管子使用時(shí)，壁溫需小于等于460℃。當(dāng)20#鋼用于二回程煙管時(shí)，需嚴(yán)防缺水現(xiàn)象發(fā)生。因?yàn)闋t膽出口煙溫一般都在700~800℃以上，在無良好冷卻的情況下，20#鋼用在二回程煙管極易超溫使用，使材質(zhì)變軟，甚至過熱、過燒，產(chǎn)生鍋爐爆管等事故。

金相分析可知，二回程煙管存在恢復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象，表明二回程煙管局部短時(shí)缺水、過燒情況。二回程煙管因?yàn)樵冀M織不同，內(nèi)表面存在級(jí)別較大的帶狀組織，而外表面為等軸晶區(qū)，致使在高溫?zé)煔庾饔孟拢谕獗砻姘l(fā)生的恢復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象。二回程煙管存在輕度球化現(xiàn)象，球化級(jí)別為2級(jí)左右。

與二回程煙管短時(shí)超溫問題不同，三回程煙管則主要存在嚴(yán)重的球化現(xiàn)象，球化級(jí)別為4級(jí)，這是較高溫度長(zhǎng)期作用的結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查可知，上部的彎曲變形情況比下部嚴(yán)重，這是由于下部以鍋水為主，而上部為汽水混合物的緣故，因汽水混合物冷卻效果較差，從而造成煙管壁溫升高。通過合理控制鍋爐水位，應(yīng)能有效防止煙管壁溫過高，避免或延緩組織球化發(fā)生。

從鍋爐內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)，二、三回程煙管最大彎曲變形量近似煙管中間，即位于煙管撓度最大處。這是煙管過長(zhǎng)（≥5200mm）,中間無任何支撐的設(shè)計(jì)，在重力作用下，造成撓度過大，使煙管總體向下彎曲變形。特別在管壁高溫、材質(zhì)變軟的情況下，撓度的增加更加明顯。煙管與管板采用焊接方式連接，在高溫、過熱的情況下，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力最終體現(xiàn)在管板和煙管的連接處。由于管板較厚，穩(wěn)固形強(qiáng)，變形較小，最終導(dǎo)致煙管兩端向上翹起狀。

煙管總體向下彎曲，兩端向上翹起是由于材料高溫作用下，重力及熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)論與建議

鍋爐煙管彎曲變形是由于鍋爐運(yùn)行時(shí)缺水或水位偏低，造成管壁溫度偏高，在兩端固定管板之間的熱應(yīng)力及其自身重力的作用所致。

建議：1）加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行管理，合理控制鍋爐水位，嚴(yán)防缺水現(xiàn)象發(fā)生，防止二回程進(jìn)口及鍋爐頂部煙管溫度過高；2）在臥式煙管鍋爐標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范中，當(dāng)煙管過長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)考慮動(dòng)載、高溫等因素影響，采用合理的結(jié)構(gòu)形式，防止撓度過大導(dǎo)致失穩(wěn)發(fā)生。

[1] 戴曦，黃為贊．一起鍋爐煙管漏水質(zhì)量事故的分析及解決辦法[J]．機(jī)電工程技術(shù)，2013，42（06）：208-212.

[2] TSG G0001—2012 鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S]．

[3] 張棟，鐘培道．失效分析[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005：198-206．

Bending Deformation Fracture Analysis on Fire Tubes of an Industrial Boiler

Zhao Kunyu Qiu Kangyong
（Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029）

The fire tubes bended when the industrial boiler was in service. Through a series of testing methods including chemical composition analysis, tensile test and metallographic examination, the fracture cause was analyzed. The results showed that the gravitational force of the fire tubes and the heat stress caused the bending fracture of the fire tubes while the temperature of tube wall was very high.

Industrial boiler Fire tube Bending deformation

X933.2

B

1673-257X(2016)11-0056-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.014

趙昆玉(1961～)，男，本科，技術(shù)部部長(zhǎng)，高級(jí)工程師，從事承壓特種設(shè)備檢驗(yàn)研究與技術(shù)管理工作。

2016-01-12）