某垃圾焚燒爐水冷壁管爆口原因分析研究★

龍靖安，張啟禮

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510655）

0 引言

蒸汽吹灰器是電站燃煤鍋爐主要采用的吹灰裝置，利用高溫高壓蒸汽的射流沖擊受熱面上的積灰、結(jié)渣，當沖擊力大于灰粒與灰粒或灰粒與管壁的作用力時，灰粒便脫落，從而達到清除受熱面積灰、結(jié)渣的目的。實踐證明，在鍋爐運行過程中，經(jīng)常對受熱面進行吹掃，能有效保障鍋爐正常運行，但蒸汽吹灰器系統(tǒng)設(shè)備維護保養(yǎng)受安裝位置等因素的限制[1-2]。

1 設(shè)備概況

某企業(yè)3 號垃圾焚燒爐水冷壁管在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)爆口。該垃圾焚燒鍋爐生產(chǎn)制造商為四川川鍋鍋爐有限責任公司，型號為G-750-90.8/4.0/450-LJ，于2018 年7 月投入使用，運行超過5 年。出現(xiàn)爆口的水冷壁管段位于吹灰器旁，如圖1 所示。為了分析并找出水冷壁管爆口的根本原因，進行如下試驗。

圖1 水冷壁管與吹灰器位置

2 爆口宏觀形貌觀察

爆口管是一條等徑三通水冷壁管，材質(zhì)為20#，規(guī)格為Φ76 mm×6.0 mm。水冷壁管爆口和外觀形貌如圖2 所示。肉眼可以看到彎管和直管外表面都有結(jié)焦，但爆口兩側(cè)存在一個明顯吹損的平面，平面光滑。爆口位于彎管向火側(cè)彎頭正下方的位置，呈細長條形，總長度為129 mm，裂口細小，斷裂面粗糙不平整，邊緣不鋒利，較鈍，爆口兩側(cè)存在15 mm 寬的吹損平面，如圖3 所示。直管未見有爆口，也無明顯的沖蝕痕跡。

圖2 送檢水泠壁管

圖3 爆口放大圖

3 壁厚測定

把管子表面輕微打磨至露出金屬光澤后，采用超聲波測厚儀對直管和彎管進行壁厚測量。樣管測量位置如圖4 所示，測量結(jié)果如表1 所示。

表1 送檢樣管壁厚測量結(jié)果

圖4 送檢樣管壁厚測點位置示意圖

同樣對樣管背火面的壁厚進行測量，其結(jié)果為5.48 mm。從管子壁厚測量結(jié)果可以看出，水冷壁管整體壁厚是減薄的，向火面?zhèn)葴p薄明顯，吹損面減薄較為嚴重。

4 硬度檢測

在管子直管上任取一小塊試樣，在彎管吹損面及其旁邊各切取一小塊試樣，在顯微硬度計上分別對3個小試樣進行顯微硬度測量，檢測結(jié)果如表2 所示。

表2 硬度分析結(jié)果

從表2 檢測結(jié)果可以看出，所測量彎管吹損面的硬度遠遠大于其他部位和直管的硬度，也高于《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T699—2015 材質(zhì)20#的硬度標準值，這有可能是彎管上的小平面吹損造成了管子的形變強化，也有可能是爆管后水冷壁內(nèi)汽水混合物從管內(nèi)高速沖出，迅速冷卻爆口，使爆口處產(chǎn)生淬硬組織[3]。

5 拉伸試驗

根據(jù)GB/T 228.1《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》附錄E，針對管材試樣，采用以全壁厚縱向弧形試樣對管子進行拉伸試驗。因管子彎管段向火面出現(xiàn)爆口，不能在該管子向火面取樣進行拉伸試驗。現(xiàn)對彎管的背火面、直管的向火面及背火面沿管子縱向各加工1 個拉伸試樣。在電子萬能拉伸試驗機上進行拉伸試驗，拉伸試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 拉伸試驗結(jié)果

從表3 拉伸試驗結(jié)果可以看出，彎管背火面的伸長率小于標準值，直管向火面和背火面的屈服強度接近標準下限，其余指標符合要求[4]。

6 微觀形貌分析

為了觀察和分析彎管爆口的顯微形貌，在彎管出現(xiàn)爆口的吹損平面切一小塊，用掃描電鏡分別對小試樣的內(nèi)外表面進行微觀形貌分析。其外表面相當不致密，有許多空洞，顆粒較大，且顆粒間存在較多微裂紋，如圖5、圖6 所示。在吹損平面背面（管子內(nèi)表面），其表面整體比較平整致密，未發(fā)現(xiàn)有微裂紋，如圖7、圖8 所示。

圖5 彎管吹損面外表面微觀形貌圖（50×）

圖6 彎管吹損面外表面微觀形貌圖（198×）

圖7 彎管吹損面內(nèi)表面微觀形貌圖（50×）

圖8 彎管吹損面內(nèi)表面微觀形貌圖（200×）

7 金相組織分析

在管子彎管橫截面及吹損平面取一小試樣進行研磨、拋光后，用金相顯微鏡觀察試樣表面，沒有看到明顯的雜夾物。再用質(zhì)量分數(shù)為3%的硝酸酒精溶液進行浸蝕，將制備好的金相試樣于金相顯微鏡下進行組織觀察[5]。

彎管橫向金相組織為珠光體+鐵素體，珠光體球化級別為2.5 級。同時從金相圖片可以看出，晶粒有一定程度的變形，如圖9 所示。

圖9 彎管橫截面金相組織圖（500×）

吹損平面處的金相組織也是鐵素體+珠光體，不過組織分布嚴重不均勻，且吹損處邊緣晶粒變形嚴重，未發(fā)現(xiàn)淬硬組織，如圖10、圖11 所示。

圖11 吹損平面處金相組織圖（500×）

8 結(jié)果分析

通過對水冷壁管子進行宏觀觀察、壁厚測量、硬度檢測、爆口表面微觀形貌觀察和金相組織分析等，所得結(jié)果如下：

1）宏觀可見彎管爆口處兩側(cè)各有15 mm 寬的吹損平面；

2）通過壁厚檢測，發(fā)現(xiàn)水冷壁管整體壁厚減薄，爆口邊壁厚減薄最為嚴重，最薄處僅為1.29 mm；

3）通過對管徑進行測量，未發(fā)現(xiàn)明顯脹粗現(xiàn)象，說明水冷壁爆口不是短時過熱造成的；

4）水冷壁管吹損平面的顯微硬度遠高于其余部位，也高于其標準規(guī)定值，這是形變強化導(dǎo)致的，也驗證了該處減薄不是由于腐蝕造成的；

5）通過掃描電鏡對彎管爆口的吹損平面進行觀察，其外表面相當不致密，有許多空洞，顆粒較大，且顆粒間存在較多微裂紋，管子內(nèi)表面無微裂紋，說明裂紋是從外向內(nèi)擴展的；

6）水冷壁管金相組織為珠光體+鐵素體，未見明顯球化現(xiàn)象，故可以推斷出爆口不是由過熱造成的[6]。

基于上述分析，可以斷定該水冷壁管爆口的最主要原因是吹損所致。

9 控制措施

針對此次水冷壁管爆口的情況，提出相關(guān)建議：在易吹損的部位采用噴涂工藝噴涂一層耐磨材料，或采用堆焊工藝堆焊一層耐磨材料；在不影響吹灰的情況下，降低吹灰的工作壓力；避免吹灰蒸汽含有水分。