20G锅炉水冷壁爆管的分析
时金玉、于浩
（北京科技大学材料学院）
摘 要：本文针对芜湖新兴动力部锅炉水冷壁爆管情况，通过宏观和微观分析，结果表明在20G作为水冷壁管的使用过程中，由于长期的高温环境超过了材料的许用工作温度，导致材料的高温持久性能下降，从而使材质严重劣化，是造成本次爆管的主要原因。
关键词：20G；锅炉；水冷壁；爆管；球化
FAILURE ANALYSIS OF BOILER FURANCE WATER-WALL TUBE
Shi Jin-yu, Yu Hao
Abstract:The macro and micro analysis were employed to study the 20G boiler water-wall
tube explosion used in a domestic factory. The results showed that the main reason of tubeexplosion is due to the tube was long-term used in high temperature environment more than theallowable working temperature of the material, the high temperature stress rupture strength of thematerial declined.
Key words:boiler;Water-wall Tube;Overheating
引言
锅炉水冷壁管的作用主要是吸收炉膛中高温火焰或烟气的辐射热量，和外界进行能量交换的传到导介质，吸收炉内温度后在管内产生蒸汽，同时降低炉墙温度，保护炉墙。在大容量锅炉中，炉内火焰温度很高，热辐射的强度很大。锅炉中有40～50 %甚至更多的热量由水冷壁所吸收。锅炉水冷壁管的工作条件比较恶劣，除了要承受高温高压作用外，还受到来自工质侧或烟气侧的腐蚀、磨损和疲劳损伤，因此在服役过程中会产生一系列的材料、组织与性能的变化，容易造成水冷壁管爆裂，产生泄漏。
锅炉水管一旦泄漏将严重影响机组安全稳定运行，其产生原因复杂，涉及多门交叉学科，对其产生的原因往往难以做出正确的判断。通常采用“快速”抢修方法，但不能根本解决事故，以致可能造成相同的原因的保管爆管再次发生，带来不必要的损失。我国火电机组由于炉管事故引起的非计划停运小时数占机组非计划停运总时长的37.8 %，而美国仅为7 %。
1.概况
本锅炉蒸汽蒸发量为130 t，额定蒸汽压力为9.81 MPa，额定蒸汽温度540°C，给水温度为215°C，水冷壁管在锅炉投产后2年左右的时间发生爆裂，该锅炉管材质为20G。该爆管严重影响企业生产并产生较大的安全影响，为了探究爆管原因，取爆管后的裂口样做分析并探究原因，以便指导生产。
2.理化检验
2.1 化学成分分析
从距爆口1米位置的完好部分对20G取样进行光谱分析，结果其成分符合GB5130-1995《高压锅炉用无缝钢管》中对20G钢的技术要求（见表1），五害元素之和为0.022 %，也低于行业内标准。
表1 20G试样的化学成分（wt. %）
C
成分国标
Si0.260.17-0.37
Mn0.480.40-0.50
P0.011≦0.02
0
S0.002≦0.015
Cu0.1≦0.20
Ni0.042
Cr0.059≦0.25
Mo0.008≦0.15
0.1810.17-0.21
2.2宏观形貌分析
爆管宏观形貌见图1所示，通过观察，此爆管部位内壁无结垢现象，且内壁无腐蚀现象，爆管部位也无堵塞情况，可以排除因水质问题造成爆管的因素。此爆口中间较宽，两端变窄，为从中间开始爆裂，然后向两侧扩展，断面粗糙，边缘钝，有塑性变形，管子有轻微胀粗，且壁厚减薄不多，有平行于爆口的裂纹，呈树皮状。
图1 20G爆管处宏观形貌及取样部位标记
2.3 微观分析
在图1所示位置取样后利用金相显微镜和扫描电镜分析微观形貌。
爆口背火面组织如图2所示，组织分布为块状的铁素体加上珠光体组织，说明在爆裂的瞬间该处温度并没有达到Ac1-Ac3之间的相变区域，在爆裂瞬间水冷后没有出现贝氏体或马氏体等组织。
（a）暴口背火面组织（100倍）（b）暴口背火面组织（500倍）图2 暴口背火面组
织
爆管向火面组织见图3所示，组织晶粒度和背火面没有明显差异，但是珠光体球化严重，说明长期受到高温作用，使碳化物发生球化，珠光体成团状。
（a）暴口向火面组织（100倍）（b）暴口向火面组织（500倍）图3 暴口向火面组
织
扫描电镜形貌如图4所示，对向火面和背火面的断口进行电镜分析发现两试样上均有细小裂纹，且对断口处的结晶物进行能谱分析其成分（见图4，图5），结果均为氧化物，主要为氧化铁。
（a）暴口背火面断口 （b）暴口向
火面断口 图4 扫描电镜微观形
貌
图5 能谱分析
3分析与讨论
为了探究爆管的真正原因，笔者在停炉检修
时安排人员对其它冷却壁的厚度进行了检查，发现在烧嘴附近的侧冷却壁水管有少数管壁减薄的现象，并对减薄的水管进行更换，其它管壁厚度正常；同时笔者翻阅了投产两年来锅炉运行参数记录发现，在2013年4月-2013年10月锅炉连续6个月低负荷运行，且蒸汽量在65-80 t之间波动，蒸汽量在70 t以下的时间占运行时间的15 %，甚至有出现短时间低于60 t蒸汽量的现象。
3.1通过爆口金相分析证实，爆管时如果管壁温度为450 °C-550 °C，金相组织为球化珠光体，爆管时如果管壁温度为600 °C-700 °C，金相组织为自由渗碳体，也是分辨长期过热和短期过热的依据，通过理化试验证明金相组织为球化的珠光体[2]。
3.2锅炉长期低符负荷运行，特别是锅炉负荷在55 %-62 %之间运行，由于质量流速降低，两相流体不能充分冷却水冷壁，致使水冷壁温度上升，但冷却壁平均温度不高于550 °C。从金相分析中发现爆口背火面组织为块状的铁素体加上珠光体组织，爆口向火面组织珠光体发生球化，证实了水冷壁的温度并没有达到550 °C。
3.3锅炉上中下有三排烧嘴，下排3个焦炉煤气烧嘴，中排和上牌均为两个烧嘴，发生爆管的位置在上排烧嘴附近的侧壁上，可见在此位置冷却壁工况最为恶劣。4 结论
综上所述判断，该锅炉水冷壁由于前期长时间低负荷运行，管道内两相流体阻力加大，冷却介质不能充分平衡热能，造成20G长期受到450 °C-550 °C范围的高温作用，20G珠光体球化严重，部分水冷壁机械性能恶化，水冷壁管有发生鼓包现象，在后期运行时没有对锅炉壁管进行检查确认，盲目提高压力和温度，是造成本次爆管的主要原因，故130 t锅炉的负荷最好保持75 %以上才能确保锅炉的安全运行。5 结束语
锅炉水冷壁过热失效是常见的一种现象，探寻失效的原因，寻找过热失效的规律，制定相应的合理防范措施，还需要我们做大量细致、深入的研究工作，以提高分析过热失效的科学性和准确性！
参考文献:
[1] 先越蓉. 冷镦钢的生产发展综述[J]. 重钢技术, 2004, (3): 25
[2] 陈宣才, 杨友. 锅炉水冷壁管过热损坏的原因分析[J]. 石油化工设备技术, 2007, (2):38-41.
[3] 刘佳. 锅炉水冷壁壁温计算及低负荷下爆管原因分析[D]. 大连理工大学, 2007.
