CO 鍋爐對流管束泄漏分析

任廣璇，田雙明，蘆 千

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

0 引言

某車間3#CO 鍋爐，型號WGZ65/3.82-6，額定發汽量65 t/h，壓力3.82 MPa，生產建設廠家為武漢鍋爐廠。鍋爐為雙鍋筒布置，對流管束位于上下鍋筒之間，由Φ51×3.5 mm 的鋼管組成，材料為GB 3087—1982，20g 低中壓鍋爐用無縫鋼管，連接方式為脹接。1996 年投入運行，累計運行時間10 393 h，上次維修時間是2016 年8 月6 日，Φ38×3.5 mm 低溫過熱器爐管泄漏。2022 年2 月班組巡檢發現鍋爐下汽包左東北側漏水汽，判斷有對流管束泄漏。

1 對流管束泄漏情況

停爐后排查泄漏情況，最終確定泄漏管束為下汽包最外側兩根對流管，東側泄漏點為臨近鋼梁焊接處（圖1），西側漏點為臨近密封焊接處（圖2），泄漏位置均可見明顯裂紋。兩處泄漏均為最外側對流管，基本呈對稱分布。

圖1 對流管束東側泄漏點

圖2 對流管束西側泄漏點

下汽包對流管束工作條件為：管內介質為除氧水（加藥磷酸三鈉控制：磷酸根5～15 mg/L，pH 值9～11）；溫度為270 ℃；壓力為3.8 MPa；管束材料為20 號鋼；管束規格為Φ51×3.5 mm。管束外為煙氣環境，溫度為420 ℃左右。

2 管束檢測分析

2.1 管束宏觀和低倍形貌分析

（1）為分析泄漏原因，委托第三方對管束進行理化檢測，從3#鍋爐汽包對流管束上的不同部位切取了3 個管段，分別在下汽包的西側、下汽包的東側和上汽包的東側。為了便于后續檢驗分析，將這3 個管段編為1#管、2#管、3#管（圖3）。

圖3 對流管束管段編號

（2）1#管：將1#管上的局部區域沿著彎管外、內弧的分界線切分為兩個半管，如圖4、圖5 所示，管外弧側的內壁上有很長的裂紋，裂紋出現的位置與該管外弧側的外壁上焊接的連接板位置相吻合；管內弧側的內壁上則未見裂紋；管的整個內壁上都布滿了棕紅色的銹蝕，且有一定程度的局部剝落。

圖4 1#管內外壁宏觀形貌1

圖5 1#管內外壁低倍形貌2

（3）2#管：將2#管的局部區域沿著彎管外、內弧的分界線切分為兩個半管；如圖6、圖7 所示，管的外弧側內壁也出現了較小的裂紋，裂紋的位置也是在該管外弧側的外壁上焊接的連接板處；管內弧側的內壁上未見裂紋，但有一條棕黃色的銹斑存在；管內壁布滿了棕紅色的銹蝕，且局部有一定程度的剝落。

圖7 2#管內外壁低倍形貌2

（4）3#管：將3#管沿著彎管外、內弧的分界線切分為兩個半管，該管的內壁未見裂紋，也布滿棕紅色的銹蝕，且有一定程度的局部剝落（圖8、圖9）。

圖8 3#管內外壁低倍形貌1

圖9 3#管內外壁低倍形貌2

（5）1#管外弧側內壁裂紋斷口形貌如圖10 所示，裂紋起源于管外弧側的內壁，由內向外擴展；斷口上有多個裂紋源，并有貝紋狀的疲勞弧線；斷口呈灰黑色、布滿氧化腐蝕產物；因此，整個管外弧側內壁的裂紋（斷口）具有熱疲勞斷裂的特征。

圖10 1#管外弧側內壁裂紋形貌

（6）1#管（包括2#管）內壁裂紋出現在管子的外弧側、又在管外弧側連接板的焊接部位，由此推斷，對流管束（彎管）裂紋的產生與該部位管子的形狀、管子外弧側外壁焊接的連接板等因素有一定的關系。

2.2 管束的材料分析

分別從3 個管段上切取塊狀樣品，依據相關標準進行化學分析。結果表明，3 個管段的材料成分均符合20 號鋼的標準要求（表1）。

表1 管束材料的化學成分 wt%

2.3 管束的金相分析

同時對1#～3#管進行金相分析，確認3 個管出現裂紋（蝕坑）的位置相同，都是在管子的內壁（管束與連接板的未焊接側），差異只是裂紋（蝕坑）的深度不同，但裂紋（蝕坑）的性質應該是一樣的。1#管內壁上裂紋（蝕坑）已經穿透管壁，造成汽包對流管束的泄漏（補焊堵漏）；而2#管、3#管內壁上的裂紋（蝕坑）還相對較淺，尚未對管束造成泄漏破壞。

2.4 管束的電鏡分析

使用掃描電鏡，對1#管斷口及管壁裂紋（蝕坑）等進行形貌（圖11）觀察和元素成分能譜分析（圖12）。低倍下可見斷口上有圓形弧狀形貌，具有疲勞斷裂的特征；但在高倍下則只能看到斷口上布滿氧化腐蝕產物。能譜分析表明，斷口的氧化腐蝕產物主要由O、Fe 元素構成，為鐵的氧化物。

圖11 1#管斷口及管壁裂紋形貌

圖12 元素成分能譜分析

3 綜合分析

通過對3 根汽包對流管束進行了多項理化檢驗分析，認為造成對流管束開裂泄漏的主要因素是介質腐蝕、交變載荷、焊接應力等。

（1）介質腐蝕。在3 根管子的內壁布滿了棕紅色的腐蝕產物（鐵的氧化物），尤其是在管子內壁的裂紋（蝕坑）中，腐蝕產物更多些。這些裂紋（蝕坑）既造成了管子內壁的局部應力集中而成為疲勞裂紋源，又會因裂紋擴展（蝕加深）導致管壁的減薄直至開裂，引發管內介質的泄漏。

（2）交變載荷。鍋爐運行期間，因鍋爐汽包及管束內介質的溫度、壓力等的變化，會形成不同程度的交變載荷（振動）。交變載荷的存在，易造成管束局部應力集中區域產生疲勞裂紋。

（3）焊接應力。3 根管束的裂紋（蝕坑）都出現在管束內壁（焊接處附近），且不在管束與連接板的焊接側，對流管束與連接板的焊接是單面焊，又在對流管束彎管的外弧側，說明管束內壁裂紋的發生和發展與管束形狀、焊縫位置、焊接方式等有著重要的關系。

綜合上述三方面因素的作用，使得3#鍋爐汽包對流管束彎管外弧側內壁在鍋爐運行過程中產生腐蝕疲勞裂紋，并不斷地擴展，直至最后造成管束管壁的減薄和開裂而發生介質泄漏。

4 結論及建議

4.1 結論

（1）3 根汽包對流管束的材料均為20 號鋼，材質吻合。

（2）3 根汽包對流管束的金相組織為鐵素體+珠光體。

（3）3 根汽包對流管束內壁的裂紋（蝕坑）為腐蝕疲勞開裂。

（4）對流管內介質的氧腐蝕、鍋爐運行產生的交變載荷（振動對流管束與連接板的焊接位置和焊接方式而產生的局部應力集中，是造成對流管束產生腐蝕疲勞裂紋的主要因素。

4.2 建議

（1）日常加強鍋爐水質的監測，做好鍋爐水的除氧，盡量減少由水垢、氧腐蝕和給水中化學殘留物對鍋爐本體受壓元件造成的各類腐蝕。

（2）合理控制每臺鍋爐流量，減少不必要負荷調節工作，保證鍋爐壓力溫度平穩，使鍋爐安全運行。

（3）對于鍋爐各個部位的焊接處，如頂棚過熱器管與鰭片的焊接、對流管束彎管與連接板的焊接等采取合理的焊接方式，減少因焊接造成相應管束的局部應力集中而產生疲勞裂紋。如采用氬弧焊代替手工電弧焊，減少焊接的熱輸出；采用間斷焊接或跳焊代替連續焊接，避免連續焊接產生局部應力集中。