宋澤宇

(中國石化安全監(jiān)管部，北京 100027)

水冷壁是電站鍋爐的重要設(shè)備，水冷壁管的可靠性直接關(guān)系著電廠機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于其運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生爆管等事故，造成裝置的非計(jì)劃停車。文獻(xiàn)研究表明，導(dǎo)致鍋爐水冷壁發(fā)生爆管事故的主要原因有過熱、磨損、應(yīng)力撕裂、焊接、材質(zhì)和腐蝕等問題。為了確保電廠裝置穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)鍋爐水冷壁爆管事故進(jìn)行原因分析，進(jìn)而調(diào)整工藝和設(shè)備參數(shù)，預(yù)防事故再次發(fā)生。

1 事故概況

某石化企業(yè)自備熱電廠有4臺(tái)高壓煤粉鍋爐，額定蒸發(fā)量為220 t/h，其中一臺(tái)鍋爐在運(yùn)行中乙墻后數(shù)第56根水冷壁管突然發(fā)生爆管，造成鍋爐停爐。爆口為水冷壁管的向火面，位于標(biāo)高19 m處(以下簡稱爆管)。水冷壁管材質(zhì)為20G，規(guī)格φ60 mm×5 mm，內(nèi)部介質(zhì)為水，正常操作溫度300 ℃，操作壓力13.4 MPa。爆口附近的外壁煙氣溫度1 200～1 300 ℃，為爐膛內(nèi)的溫度高負(fù)荷區(qū)。

本文針對(duì)該熱電廠鍋爐水冷壁爆管事故開展宏觀檢驗(yàn)、壁厚測量、滲透檢測、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、硬度檢測、力學(xué)性能測試。同時(shí)，截取與爆管相鄰的55#管以及準(zhǔn)備更換的同材質(zhì)新管進(jìn)行平行對(duì)比試驗(yàn)，分析爆管的原因，并給出了針對(duì)性的解決方案及建議。

2 水冷壁管檢驗(yàn)測試

2.1 宏觀檢驗(yàn)

對(duì)送檢的爆管進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，向火面外壁有黑褐色的過熱特征，外壁腐蝕輕微，內(nèi)壁無明顯腐蝕現(xiàn)象。爆口位于焊縫下方40 mm處，長120 mm，寬45 mm，呈菱形，邊緣壁厚有減薄。爆口兩側(cè)及下方存在大量的表面軸向裂紋。

爆管的管徑存在明顯的脹粗現(xiàn)象，最大測量直徑67.0 mm，與原始規(guī)格相比，脹粗11.7%。

2.2 壁厚測量

對(duì)爆管進(jìn)行壁厚測量。爆口邊緣最小壁厚2.4 mm，爆口下方表面裂紋區(qū)域最小壁厚3.4 mm，其余區(qū)域向火面壁厚為4.0～5.0 mm之間，爆口附近壁厚出現(xiàn)了明顯的減薄。背火面的壁厚為5.0～5.3 mm，無減薄。

2.3 滲透檢測

對(duì)爆口下方的軸向裂紋區(qū)進(jìn)行滲透檢測，裂紋顯色較淺且不明顯，經(jīng)打磨約0.5 mm深后，表面裂紋消除，再進(jìn)行滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.4 化學(xué)成分分析

對(duì)爆管進(jìn)行化學(xué)成分分析，另取55#管及準(zhǔn)備更換的新管進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明，3個(gè)檢測試樣的化學(xué)成分均符合GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 水冷壁管化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.5 金相檢驗(yàn)

對(duì)爆口邊緣取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，爆口邊緣存在大量的黑色珠光體組織，珠光體明顯多于20G正常的組織，如圖1所示。

圖1 爆管邊緣的金相組織

爆口邊緣內(nèi)外壁未發(fā)現(xiàn)脫碳層及微裂紋，內(nèi)外壁氧化層厚度均為0.1 mm，如圖2所示。

圖2 爆管向火面內(nèi)外壁的組織及氧化層

爆管背火面金相組織正常，如圖3所示。

圖3 爆管背火面金相組織

對(duì)與爆管相鄰的55#管向火面、準(zhǔn)備更換的新管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，其金相組織為珠光體+鐵素體，珠光體含量正常，如圖4和圖5所示。

圖4 55#水冷壁管向火面金相組織

圖5 準(zhǔn)備更換新管的金相組織

2.6 硬度檢測

對(duì)爆管進(jìn)行硬度檢測，爆口上方向火面的硬度值為145～157 HB，爆口下方硬度值為170～178 HB，其余區(qū)域硬度值為163～173 HB。背火面的硬度值145～160 HB。硬度檢測未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

2.7 力學(xué)性能測試

對(duì)送檢的爆管以及對(duì)比的55#管和準(zhǔn)備更換的新管取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，爆管向火面的抗拉強(qiáng)度及伸長率不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其余試樣測試結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 力學(xué)性能測試結(jié)果

3 失效原因分析

綜合上述檢驗(yàn)結(jié)果分析，爆管宏觀上有明顯的脹粗，邊緣壁厚顯著減薄，說明爆管前，爐管曾出現(xiàn)過明顯鼓脹。爆口附近外表面裂紋深度較淺，打磨約0.5 mm深后即可消除，因此分析裂紋實(shí)質(zhì)是由于爐管鼓脹引起的表面氧化皮斷裂造成的，與爆管無關(guān)。爆管的化學(xué)成分合格，向火面抗拉強(qiáng)度偏高、延伸率偏低，分析可能與爐管出現(xiàn)鼓脹、發(fā)生塑性變形有關(guān)。

爆管內(nèi)外壁無明顯腐蝕跡象，內(nèi)壁金相檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)脫碳層及微裂紋，說明爆管與內(nèi)部介質(zhì)腐蝕無關(guān)。爆口附近金相組織未出現(xiàn)嚴(yán)重球化，氧化層厚度很薄，硬度值正常，說明爆管與爐管長期過熱、材質(zhì)劣化無關(guān)。

爆口邊緣金相組織中出現(xiàn)了大量的珠光體，顯著高于20G正常的珠光體含量，分析水冷壁爆口邊緣已經(jīng)發(fā)生組織相變，即水冷壁爆管前的短期溫度明顯高于20G的AC溫度(相變轉(zhuǎn)變溫度)。由于鍋爐運(yùn)行過程中水冷壁外壁煙氣溫度1 200～1 300 ℃，當(dāng)水冷壁管內(nèi)出現(xiàn)水循環(huán)不良時(shí)，向火面管壁溫度就會(huì)快速升高，爐管的強(qiáng)度下降，在管內(nèi)高壓作用下，向火面發(fā)生鼓脹塑性變形，最終出現(xiàn)瞬間爆破，形成大塑性爆口。爆破后，管內(nèi)300 ℃左右的高溫水及蒸氣從爆口處高速噴出，對(duì)爆口邊緣管壁金屬快速冷卻，產(chǎn)生了大量的珠光體組織。

4 結(jié)論與建議

a) 該熱電廠水冷壁爆管的原因?yàn)闋t管短時(shí)過熱，造成材料強(qiáng)度下降，不能承受內(nèi)壓，發(fā)生爆管失效。

b) 建議采用內(nèi)窺鏡、通球試驗(yàn)等手段檢查水冷壁上下聯(lián)箱狀況，查看是否存在結(jié)垢、堵塞等情況。

c) 建議對(duì)其他水冷壁管定期進(jìn)行宏觀檢查，對(duì)于鼓脹量大于設(shè)計(jì)要求的水冷壁管及時(shí)進(jìn)行更換。