摘要：文中針對(duì)一起SZL型工業(yè)鍋爐對(duì)流管束處鍋筒鼓包變形事故案例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用宏觀檢驗(yàn)、幾何尺寸測(cè)量、壁厚測(cè)定、硬度檢測(cè)、化學(xué)成分分析、金相組織分析、壁厚校核等手段對(duì)鍋爐的鼓包進(jìn)行原因分析。因現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)分析數(shù)據(jù)和鍋爐產(chǎn)品質(zhì)量證明文件中的內(nèi)容存在不一致，從鍋爐制造單位追溯到該鍋筒的生產(chǎn)制造過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在鍋筒制造過(guò)程中由于工作人員大意和制造設(shè)備故障，導(dǎo)致該鍋爐投入使用后接近滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)強(qiáng)度不滿足鍋爐設(shè)計(jì)要求，發(fā)生對(duì)流管束處的鍋筒出現(xiàn)鼓包變形事故，為了杜絕該類事故的發(fā)生，文中對(duì)鍋爐制造單位提出改進(jìn)措施和建議。

關(guān)鍵詞：SZL型鍋爐;對(duì)流管束;鼓包變形;鍋爐制造

Analysis on the Causes of the Drum Bulging and Deformation Accident at Convection Tube Bundle of SZL Industrial Boiler Management

ZHENG? Jin-Hang

（ Fujian Boiler and Pressure Vessel Inspection? Institute， Fuzhou 350008， Fujian， China ）

Abstract： In view of a case of drum bulging deformation at the convection tube bundle of SZL industrial boiler， combined with the actual situation on site， the causes of drum bulging of the boiler are analyzed by means of macroscopic inspection， geometric dimension measurement， wall thickness measurement， hardness detection， chemical composition analysis， metallographic structure analysis， wall thickness verification， etc. Due to the inconsistency between the on-site inspection and analysis data and the contents of the boiler product quality certification documents， the boiler manufacturer traced back to the production and manufacturing process of the boiler barrel. It was found that the strength of the boiler when it was put into operation near full load did not meet the boiler design requirements due to the carelessness of the staff and the failure of the manufacturing equipment during the manufacturing process of the boiler barrel， and the drum deformation accident occurred at the convection tube bundle. In order to prevent the occurrence of such accidents， the improvement measures and suggestions are put forward for the boiler manufacturer.

Key Words：? SZL industrial boiler; Convection tube bundle; Bulge deformation; Boiler manufacturing

1 引言

SZL型組裝鏈條蒸汽鍋爐主要以上下兩大部件出廠，上部為鍋爐本體，是主要的受壓元件。鍋爐本體由上下鍋筒、集箱、水冷壁管和對(duì)流管束組成。爐膛燃燒室左右兩側(cè)裝有直接火焰受熱水冷壁管，爐膛燃燒室后面就是對(duì)流管束部位，連接上下鍋筒。這類型的鍋爐受熱面大，熱效率高，結(jié)構(gòu)比較緊湊，對(duì)于稍大蒸發(fā)量（6t/t-30t/h）的工業(yè)鍋爐使用比較廣泛。該類型的鍋爐常見(jiàn)的鼓包變形事故都是發(fā)生在上鍋筒前半段爐膛位置，都是由于鼓包位置的鍋筒內(nèi)部大量結(jié)水垢，在運(yùn)行不合理的情況下導(dǎo)致金屬材質(zhì)強(qiáng)度、硬度下降發(fā)生鼓包變形。對(duì)于對(duì)流管束處的鍋筒發(fā)生的鼓包變形比較罕見(jiàn)（見(jiàn)圖1），查詢中國(guó)知網(wǎng)平臺(tái)，也很少有這類型的相關(guān)文獻(xiàn)資料，因此針對(duì)對(duì)流管束處鍋筒鼓包變形進(jìn)行討論具有一定的意義。

福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院受使用單位的委托，組織相關(guān)檢驗(yàn)員對(duì)該鍋爐進(jìn)行安全性能技術(shù)鑒定，文中結(jié)合鍋爐的宏觀檢驗(yàn)、幾何尺寸測(cè)量、壁厚測(cè)定、硬度檢測(cè)、化學(xué)成分分析、金相組織分析、壁厚校核等檢驗(yàn)檢測(cè)手段進(jìn)行原因分析，利用AutoCAD制圖軟件對(duì)鼓包處的鍋筒進(jìn)行制圖還原比較分析，追溯鼓包變形起因并進(jìn)行探討，杜絕該類事故的發(fā)生并提出相關(guān)的措施和建議。

2 基本情況及事故過(guò)程描述

該鍋爐的型號(hào)為DZL12-2.5-WⅡ型結(jié)構(gòu)為雙鍋筒縱置式鏈條爐排蒸汽鍋爐，額定蒸發(fā)量為12t/h，額定工作壓力為2.5MPa，額定蒸汽溫度為228.6℃，設(shè)計(jì)燃料為Ⅱ無(wú)煙煤，鍋筒材質(zhì)為Q245R，鍋筒規(guī)格為φ900×30mm。

鍋爐在運(yùn)行期間司爐工發(fā)現(xiàn)鍋爐的水位異常，下降比較快，補(bǔ)水次數(shù)頻繁增加，并且鍋爐煙氣有帶水現(xiàn)象，司爐工向上級(jí)匯報(bào)情況后緊急停爐。鍋爐停爐冷卻后司爐工打開(kāi)所有人孔、手孔和檢查門自行檢查。司爐工由于缺乏鍋爐檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常問(wèn)題，使用單位為了確保鍋爐安全，委托福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院進(jìn)行鍋爐安全性能技術(shù)鑒定。

鍋爐鑒定結(jié)果描述如下：

（1）鍋爐本體上鍋筒底部鼓包變形，鼓包變形位置在第一回程對(duì)流管束區(qū)域的筒節(jié)（見(jiàn)圖2），變形量（軸×周×高）：850mm×1350mm×60mm;

（2）鍋筒鼓包變形區(qū)域內(nèi)的對(duì)流管束管端變形（見(jiàn)圖3），橢圓度：60mm×40mm;

（3）鍋筒鼓包變形區(qū)域內(nèi)的對(duì)流管束管端的焊縫貫穿性裂紋（見(jiàn)圖4），裂紋肉眼可見(jiàn)，對(duì)流管表面壁掛滿水跡，開(kāi)裂主要由鍋筒鼓包變形引起;

（4）鍋筒、封頭、集箱、下降管、水冷壁管、對(duì)流管都有0.5mm～1.5mm厚度的水垢。

3 檢驗(yàn)情況

3.1 宏觀檢驗(yàn)

對(duì)鍋爐各部件和安全附件宏觀檢驗(yàn)，除鍋爐本體鼓包變形和對(duì)流管管端開(kāi)口裂紋以外其他受壓元件未見(jiàn)異常。煙道螺栓連接處有水跡，為鍋爐煙氣帶水引起。鍋爐設(shè)計(jì)燃料為Ⅱ無(wú)煙煤（WⅡ），而實(shí)際使用的燃料為Ⅱ煙煤（AⅡ），爐膛結(jié)構(gòu)未改變。鍋筒內(nèi)部存在水垢，查看水質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告，給水的硬度、鍋水酚酞堿度、全堿度、pH值、磷酸根項(xiàng)目不合格，使用單位未對(duì)水處理設(shè)備進(jìn)行整改。翻看鍋爐的運(yùn)行記錄，從2020年3月至事故發(fā)生這段時(shí)間里，鍋爐的使用壓力變化值較大，而且比較頻繁波動(dòng)，最高的工作壓力接近額定工作壓力2.5MPa，鍋爐在此期間不間斷運(yùn)行。

3.2 幾何尺寸測(cè)量

進(jìn)入上鍋筒內(nèi)部發(fā)現(xiàn)對(duì)流管束的節(jié)距有明顯差異，因此進(jìn)行對(duì)流管的節(jié)距進(jìn)行測(cè)量。鼓包處的節(jié)距已經(jīng)參差不齊無(wú)測(cè)量意義，對(duì)未鼓包筒體區(qū)域的對(duì)流管節(jié)距進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)縱向（軸向）的節(jié)距值91mm～103mm，實(shí)測(cè)橫向（周向）節(jié)距68mm～72mm（見(jiàn)圖5）。與鍋爐提供的產(chǎn)品質(zhì)量文件中鍋爐本體圖和強(qiáng)度計(jì)算書核對(duì)，尺寸有不符。

3.3 壁厚測(cè)定

采用27MG超聲波測(cè)厚儀對(duì)上鍋筒鼓包變形部位壁厚測(cè)定，壁厚測(cè)定位置（見(jiàn)圖6），結(jié)果見(jiàn)表1，鼓包變形最大的部位（測(cè)厚點(diǎn)編號(hào)6、7、18）實(shí)測(cè)最小壁厚為29.0mm。鍋爐的強(qiáng)度計(jì)算書中設(shè)計(jì)壁厚為28.81mm，實(shí)測(cè)厚度滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。

3.4 硬度檢測(cè)

采用HT-2000A便攜式硬度計(jì)對(duì)鼓包鍋筒區(qū)域進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)位置（見(jiàn)圖7），檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)取5次檢測(cè)值的平均值作為硬度檢測(cè)的測(cè)量值，將測(cè)量值按GB 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》中的黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算表進(jìn)行換算，得出鼓包部位金屬材料的抗拉強(qiáng)度值[1]。GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中Q245R厚度30mm的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為400MPa～520MPa。鼓包部位硬度檢測(cè)和抗拉強(qiáng)度換算結(jié)果見(jiàn)表2，發(fā)現(xiàn)鼓包部位的鍋筒硬度未見(jiàn)異常變化。

3.5 金相組織分析

采用PTI-5000型便攜式光學(xué)顯微鏡對(duì)鼓包部位進(jìn)行金相組織分析，鼓包最高部位金相組織為鐵素體+珠光體（見(jiàn)圖8），晶粒組織均勻未見(jiàn)異常變化。

3.6 化學(xué)成分分析

在鼓包變形部位進(jìn)行光譜分析，采用DE-2000型手持式XRF光譜分析儀進(jìn)行元素分析，光譜分析的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，通過(guò)光譜分析的檢測(cè)數(shù)據(jù)與GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中6.1.1條表1的化學(xué)成分對(duì)比無(wú)明顯差別。

3.7 壁厚校核

根據(jù)業(yè)主提供的鍋爐質(zhì)量證明文件中的《強(qiáng)度計(jì)算書及計(jì)算匯總表》上得知，上鍋筒的計(jì)算厚度28.51mm，設(shè)計(jì)厚度28.81mm，名義厚度30mm（見(jiàn)圖9）。鍋筒鼓包部位實(shí)測(cè)的最小厚度29.1mm，未鼓包的筒體實(shí)測(cè)厚度30mm，因此鍋筒的強(qiáng)度是能夠滿足設(shè)計(jì)使用的要求。通過(guò)仔細(xì)查看《強(qiáng)度計(jì)算書及計(jì)算匯總表》上的孔橋計(jì)算和鍋爐本體圖的對(duì)流管間距發(fā)現(xiàn)與實(shí)際測(cè)量的間距有差別，計(jì)算書中的縱向（軸向）的節(jié)距100mm，橫向（周向）節(jié)距75.39mm（見(jiàn)圖9）。實(shí)測(cè)縱向（軸向）的節(jié)距值91mm～103mm，實(shí)測(cè)橫向（周向）節(jié)距68mm～72mm，利用AutoCAD制圖軟件對(duì)實(shí)際測(cè)量的間距進(jìn)行重新繪制孔橋圖（見(jiàn)圖10）并重新進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

從該鍋爐結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況和《強(qiáng)度計(jì)算書及計(jì)算匯總表》得知以下已知條件：運(yùn)行時(shí)鍋筒最高工作壓力p=2.5MPa，平均工質(zhì)溫度t_m=228.6℃，計(jì)算壁溫t_d=318.6℃，Q245R許用應(yīng)力[σ]_J=98MPa，修正后許用應(yīng)力[σ]=η[σ]J=

0.9×98=88.2MPa，壁厚附件量C=0.3mm，根據(jù)圖10重新進(jìn)行孔橋計(jì)算：

縱向孔橋減弱系數(shù)：

φ=（s-d_e）/s（1）

橫向孔橋減弱系數(shù)：

φ'=2（s'-d_e）/s'（2）

式中：

S—縱向相鄰兩孔的節(jié)距，mm;

s'—橫向相鄰兩孔的節(jié)距，mm;

d_e—為開(kāi)孔直徑，mm。

由式（1）計(jì)算得到縱向孔橋減弱系數(shù)φ=0.429，式（2）計(jì)算得到橫向孔橋減弱系數(shù)：φ'=0.567。那么對(duì)流管束鍋筒的最小減弱系數(shù)φmin取φ和φ'中的最小值0.429。

鍋筒計(jì)算厚度：

δ_t= pD_i/（2φ_min[σ]-p）（3）

鍋筒設(shè)計(jì)厚度：

δ_dc=δ_t+C（4）

式中：

p—工作壓力，MPa;

D_i—鍋筒內(nèi)直徑，mm;

[σ]—材料修正后許用應(yīng)力，MPa。

由式（3）計(jì)算得到鍋筒計(jì)算厚度δ_t =30.8mm，

式（4）計(jì)算得到鍋筒設(shè)計(jì)厚度δ_dc=31.1mm。

根據(jù)壁厚實(shí)測(cè)結(jié)果得知，鍋筒的鼓包處的實(shí)測(cè)最小壁厚為29.0mm，小于鍋筒實(shí)際所需要的壁厚31.1mm，鍋筒的壁厚無(wú)法滿足強(qiáng)度要求。

當(dāng)存在兩種情況時(shí)，一是如果鼓包處的管孔節(jié)距比91mm更短時(shí);二是水垢?jìng)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)低于鋼板的傳熱系數(shù)，這時(shí)鍋筒壁溫劇增。由于鍋筒所需的厚度要求更厚，因此鍋筒實(shí)際所用的材料厚度30mm無(wú)法滿足使用要求。

4 原因的追溯和分析

從使用單位提供產(chǎn)品質(zhì)量證明文件中的圖紙和計(jì)算書，可以明確現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的管孔間距與設(shè)計(jì)文件不符，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)間距計(jì)算對(duì)流管束的鍋筒壁厚達(dá)不到使用的要求。受該鍋爐的制造單位委托，檢驗(yàn)人員在鍋爐生產(chǎn)車間進(jìn)行了觀察和咨詢。實(shí)際情況是，鍋爐在制作過(guò)程符合鍋爐制造的質(zhì)量體系要求。通過(guò)與工人交談，描述SZL型鍋爐的上下鍋筒的對(duì)流管和水冷壁管的管孔數(shù)量極多，工人在劃線后檢驗(yàn)正確無(wú)誤時(shí)，打樣沖眼比較隨意導(dǎo)致中心點(diǎn)偏移。鉆孔時(shí)為了節(jié)約時(shí)間，沒(méi)有采用中心鉆引中心孔，鉆孔引起中心偏移。鍋筒的管孔是在一臺(tái)型號(hào)為Z3050×25A的搖臂鉆上鉆的孔，該型號(hào)搖臂鉆最大允許鉆孔直徑50mm。該搖臂鉆的主軸箱液壓加緊菱形塊磨損已經(jīng)夾不緊主軸，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生抖動(dòng)，抖動(dòng)的鉆頭鉆心偏移有3mm～6mm左右，鉆孔工人為了完成任務(wù)，把鍋筒的管孔鉆完以后才報(bào)修。該鍋筒由于制造時(shí)的大意疏忽，導(dǎo)致鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)的強(qiáng)度無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的要求。

鍋筒內(nèi)部的水垢厚度0.5mm～1.5mm，水垢為熱的不良導(dǎo)體，其導(dǎo)熱系數(shù)僅約為鋼材的2%～5%，水垢的存在使鍋筒受熱面的導(dǎo)熱能力變差[1]。鋼材在導(dǎo)熱受阻的情況下，運(yùn)行時(shí)壁溫就會(huì)逐漸增加，如果壁溫的溫度超過(guò)設(shè)計(jì)的壁溫時(shí)，鋼材的許用應(yīng)力就會(huì)下降，這時(shí)鍋筒所需要的厚度大于實(shí)際計(jì)算壁厚的29.0mm，鍋筒的壁厚強(qiáng)度不能滿足使用要求，因此發(fā)生鼓包變形事故，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生鍋爐爆炸。

5 處理措施和改進(jìn)

根據(jù)TSG G7002-2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》第2.6.3.2條規(guī)定，筒體變形高度不超過(guò)原直徑的1.5%，并且不大于20mm的可以予以保留監(jiān)控，否則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行修理（復(fù)位、挖補(bǔ)、更換）[2]。該鍋爐鼓包最大的變形高度60mm，后半段對(duì)流管孔的節(jié)距有一部分也滿足不了設(shè)計(jì)和使用要求，因此建議將上鍋筒整個(gè)按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行更換。筒體更換屬于重大修理，修理施工單位應(yīng)具有鍋爐維修資質(zhì)，并向當(dāng)?shù)乇O(jiān)察機(jī)構(gòu)告知，向檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)申請(qǐng)修理監(jiān)檢[3]。

鍋筒在制造過(guò)程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和工藝的要求完成制造，根據(jù)TSG G7001-2015《鍋爐監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》第2.1.5.1（3）條規(guī)定鍋筒檢查幾何尺寸（鍋筒、鍋殼筒體最大內(nèi)徑和最小內(nèi)徑差、棱角度、直線度、對(duì)接偏差、開(kāi)孔位置等）、管孔開(kāi)孔尺寸及表面質(zhì)量，必要時(shí)檢查厚度，是否滿足設(shè)計(jì)要求（B類）[4]。B類的監(jiān)督項(xiàng)目是對(duì)鍋爐安全性能有較大影響的重點(diǎn)項(xiàng)目，監(jiān)檢人員一般要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)督，實(shí)物檢查，如不能及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，受檢單位在自檢合格后方可繼續(xù)進(jìn)行下一工序的施工，監(jiān)檢人員隨后對(duì)該項(xiàng)目施工的結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，確認(rèn)是否符合要求[4]。監(jiān)檢人員對(duì)鍋爐制造監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)檢查鍋筒幾何尺寸，應(yīng)確認(rèn)鍋筒開(kāi)孔位置和開(kāi)孔尺寸是否滿足要求。如果發(fā)現(xiàn)尺寸發(fā)生偏移，應(yīng)立即停止下一工序施工，直至整改合格。

6 結(jié)論

對(duì)流管束處的鍋筒鼓包變形的原因進(jìn)行總結(jié)，該鍋爐出現(xiàn)鼓包變形的原因是鍋筒在制造過(guò)程中由于大意疏忽，促使對(duì)流管孔的節(jié)距發(fā)生偏移，管孔節(jié)距不符合設(shè)計(jì)的尺寸要求，因此鍋筒的壁厚滿足不了鍋爐正常運(yùn)行。鍋筒內(nèi)部的水垢導(dǎo)致鍋筒鋼材的導(dǎo)熱受阻，鍋爐在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)鋼材壁溫逐漸增加，當(dāng)鋼材壁溫升高超過(guò)設(shè)計(jì)的壁溫時(shí)，鋼材的許用應(yīng)力下降，鍋筒的強(qiáng)度下降，這時(shí)在鍋爐內(nèi)壓力的作用下發(fā)生鼓包變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生鍋爐爆炸事故。因此在制造鍋爐時(shí)要嚴(yán)格按照國(guó)家法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)施工，全面提高鍋爐質(zhì)量，確保鍋爐出廠后能夠安全運(yùn)行，減少事故發(fā)生。

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