鍋爐水冷壁管爆管原因淺析

陳玉良，李 昆，周劍川，黃慶富，李 亞

（普洱市質量技術監督綜合檢測中心，云南 普洱 665000）

鍋爐是生產生活中的一種重要裝置和設備。在鍋爐的運行過程中存在很多不穩定的因素，如果不及時消除，可能導致鍋爐事故的發生。在所有鍋爐事故中，除鍋爐爆炸事故外，鍋爐爆管事故就是最嚴重的事故，也是最危險的事故[1]。鍋爐爆管事故，在實際運行中，是一種較常見的事故，屢有發生，處理不當則后果慘重。如果爆管裂口較大，會損壞臨近的水冷壁管，可使臨近的管壁噴射穿孔，破壞設備，沖塌爐墻，造成重大財產損失和人員傷亡，并可能在短時間內造成鍋爐嚴重缺水，使事故擴大[2]，所以查找出爆管的原因，采取有效的預防措施是非常有必要的。

某糖廠使用的一臺SHS30-2.5／400-AⅡ型鍋爐，1984年01月投入使用，累計運行時間近10萬h。2018年榨季運行期間水冷壁管爆管，省煤器管斷裂，司爐人員緊急停爐處理得當未發生進一步的安全事故。爆管事故發生后，應糖廠委托，作者對該鍋爐進行了全面的內部檢驗，發現了爆管后的另外幾處問題；對爆管及其他問題產生的原因進行了分析，針對檢驗發現的問題，提出了具體的處理和預防措施，為我市轄區內工況類似的其他鍋爐檢驗提供幫助。

1 鍋爐常見的爆管原因

1.1 安裝制造缺陷

水冷壁管道制造過程中的砂眼或其他缺陷產生的管道質量問題；安裝過程中存在的焊接質量缺陷、屏間應力不均造成鰭片撕裂并擴展至管壁導致的泄漏或爆管，鍋爐結構不合理造成的水循環破壞都會導致爆管[2，3]。

1.2 材質劣化

超溫超壓運行使水冷壁管過熱，管子長期在高溫高壓下工作，不但會發生蠕變、斷裂和應力松弛等變形過程，而且還會發生組織和性能的變化[2，4]。比如珠光體球化、石墨化，合金元素的重新分配等。超溫會使鋼的持久強度和蠕變極限下降，對鋼材的高溫機械性能影響很大，它會加快金屬在高溫下的蠕變速度。孫寧等[5]研究發現：當20G水冷壁管處于550℃時，蠕變斷裂時間約為750h，溫度600℃時，蠕變斷裂時間很短；而處于650～850℃時，蠕變斷裂時間非常短（3～15min），石墨化將大大降低鋼材的機械性能。石墨在基礎組織中可以認為是空洞和裂縫，使鋼材的強度極限、韌性都大幅下降，從而使鋼材脆性增加。鋼材長期在高溫條件下還會發生合金元素從固溶體中逐漸向碳化物擴散，使碳化物中的合金元素逐漸增多，導致鋼材的高溫機械性能降低。

1.3 運行管理不當

司爐人員操作不當，鍋爐升溫或降溫過快，爐管受熱或冷卻不均勻產生較大的應力造成承壓部件發生疲勞破壞；爐水給水品質長期超標，水質不符合標準，沒有水處理措施或對給水和鍋水的水質監管不嚴[6]，使管內結垢甚至發生堵管或出現垢下腐蝕，致使局部熱阻力增大而造成管壁過熱，強度降低[7]；鍋爐帶病運行，明知鍋爐存在安全隱患或安全保護聯鎖裝置無效的情況下不及時處理而堅持運行。這種情況帶來的后果更嚴重，如2016年當陽8.11鍋爐主蒸汽管爆炸事件。

2 檢驗檢測

2.1 運行情況檢查

經現場詢問當班司爐人員及檢查事故發生前的鍋爐運行記錄，事故發生當天該鍋爐運行正常，鍋爐給水、蒸汽壓力、蒸汽溫度、汽水品質、爐膛溫度、燃料供給等各項參數正常，未見超溫超壓運行。該臺鍋爐控制系統老舊，給水調節、燃料供給、鼓引風等均為人工調節控制。經查2018年01月外部檢驗報告發現，鍋爐高低水位、超溫、超壓報警聯鎖裝置均無效。

2.2 宏觀檢查

經宏觀檢查，水冷壁管爆管部位為鍋爐右側后至前6#管，距后墻約1.0m，爆口標高約6.0m，爆口位于直段向火側，爆口長度約200mm，最大開口寬度約125mm，管子存在較大的彎曲變形，見圖1。鍋爐左右水冷壁管部分彎曲變形，最大變形量約500mm，鍋爐前后部分水冷壁管存在不同程度彎曲變形，變形量均超過管子公稱直徑。鍋爐省煤器第二級段，前至后下部4#管斷裂、泄漏；上鍋筒前水冷壁管脹口左至右第1#、2#、3#、4#脹口滲漏，其余部位未見異常。

圖1 爆口形貌

2.3 水冷壁管厚度檢測

采用MMX-6型超聲波測厚儀對水冷壁管進行厚度檢測，水冷壁管規格Φ57×3.0mm，材質為20#鋼。右水冷壁管檢測26根，測點標高5.8m，實測最小厚度2.4mm；左水冷壁管檢測21根，測點標高6.0m，實測最小厚度2.5mm；前水冷壁管檢測12根，測點標高6.6m，實測最小厚度2.8mm，后水冷壁管檢測22根，測點標高6.0m，實測最小厚度2.6mm。測點位置見圖2，檢測結果見表1。

圖2 測點部位示意圖

表1 水冷壁管壁厚檢測結果 mm

2.4 硬度檢測

采用HT-2000A型便攜式里氏硬度計對部分水冷壁管進行硬度檢測，檢測結果顯示所測部位前后左位置水冷壁管硬度值偏低，右6#管硬度值明顯增加。硬度檢測位置標高與測厚標高一致，硬度檢測位置見圖3，硬度檢測結果（三次平均值）見表2。

圖3 硬度測點位置示意圖

表2 硬度檢測結果 HB

2.5 金相組織檢驗

采用便攜式金相儀對右6#水冷壁管爆口上部100mm位置處進行金相組織檢驗，金相組織照片見圖4。金相組織為貝氏體及部分索氏體、少量馬氏體、晶粒粗大。20#鋼的金相組織應為鐵素體和珠光體，從檢測結果來看爆口附近的金相組織已經發生變化。

圖4 爆管處上部100mm位置金相組織照片

3 結果分析

3.1 金相組織分析

鍋爐用20#鋼材質的水冷壁管的交貨狀態應為熱軋態，金相組織為鐵素體和珠光體。通過對爆管附近管段的金相組織檢驗和硬度檢測，可知爆口附近的金相組織異常，晶粒粗大，有貝氏體和索氏體出現，且硬度值偏高。可見爆管時由于爆口處溫度較高，已經超過了AC1點，導致爆口處及爆口附近的金相組織發生相變。在正常運行時，水冷壁管外壁的溫度低于相變臨界點AC1，金相組織為鐵素體和珠光體；當水冷壁管出現超溫，超過20#鋼的相變臨界點AC1時，金相組織中的部分珠光體和鐵素體會發生奧氏體轉變，強度下降，超溫運行導致管子許用應力降低而難以承受正常的工作壓力發生爆管。爆口附近的金屬在水汽噴射的作用下，奧氏體發生轉變，由于鍋爐汽水溫度較高，奧氏體在轉變過程中過冷度不足，奧氏體大部分轉變成上貝氏體。上貝氏體相對于正常的珠光體組織，其硬度高，而脆性也較大，爆口附近向火側金屬的硬度值較高正是由于金相組織中存在上貝氏體造成的。

3.2 割管檢查分析

宏觀檢查發現水冷壁爆管段向火面外壁發黑，外壁附著一層較薄的氧化皮，爆口處壁厚明顯減薄及塑性變形明顯且斷面尖銳呈喇叭形（見圖5），具備短時超溫爆管的一般特征[8]。

圖5 爆管宏觀形貌

3.3 水冷壁管彎曲及脹口滲漏原因分析

水冷壁管缺水后，管子處于高溫高壓狀態，右6#管爆管后，汽水噴射作用導致部分水冷壁管激冷后彎曲變形，水冷壁管彎曲變形產生較大拉力，導致部分脹口滲漏。

3.4 爆管原因分析

鍋爐高低水位報警聯鎖保護裝置未設置，省煤器管斷裂后給水不足，司爐人員未及時發現給水異常導致鍋筒和水冷壁管缺水，水冷壁管缺水后造成壁管短時過熱，管子的強度和蠕變極限急劇下降，在右6#水冷壁管壁厚較薄處發生爆管事故。右6#水冷壁爆管后鍋爐內壓力得以釋放，并對爐膛溫度起到了一定的控制作用，司爐工緊急停爐后事故未進一步擴大。

4 處理及預防措施

處理措施：更換左右兩側全部水冷壁管及前后變形量超標的水冷壁管，更換省煤器，修復上鍋筒水冷壁管滲漏脹口，安裝并投用鍋爐高低水位聯鎖保護裝置、超壓聯鎖保護裝置。

處理后運行效果：根據上述處理措施修理后，經水壓試驗合格，該鍋爐繼續投入運行，運行情況正常，有力保證了榨季期間生產任務的順利完成。

預防措施：使用單位加強檢修質量管理，對老舊控制系統進行升級更新，加大對重點部位的巡查，對司爐人員資質及操作水平嚴格把關，加大對鍋爐運行事故處理能力的培訓；檢驗機構應加強省煤器、水冷壁管、過熱器等重點部位的檢驗，及早發現存在的安全隱患，使用單位應重視檢驗機構提出的問題并及時整改，加強安全主體責任意識。

5 結論

通過對鍋爐水冷壁管爆口宏觀檢查、壁厚檢測、硬度檢測和金相組織檢驗綜合分析可知：水冷壁爆管的直接原因是缺水導致的短時過熱，管子強度降低，爆裂失效發生在管壁最薄處。本次爆管事故客觀原因是鍋爐各部件老化，材質劣化引起的。主觀原因是使用單位安全意識薄弱，落實安全主體責任不到位，對檢驗機構多次提出的應安裝高低水位報警聯鎖裝置不予重視，最后導致事故的發生。安全不是檢測出來的，安全是運行維護出來的，只有使用單位提高安全意識，才能避免事故的發生。