工业锅炉水冷壁管爆管、变形鼓包的原因及分析

刘伟 陈龙

摘要：本文以某纸业公司#2工业锅炉为例，分析工业锅炉水冷壁管爆管、变形鼓包的原因，主要剖析水冷壁管的厚度、管材成分、力学特性、垢样成分和断口能谱等多个方面，证明工业锅炉水冷壁管爆管、变形鼓包问题是水冷壁管内壁结垢所致。解决水冷壁管内壁结垢问题则应用甲酸和羟基乙酸予以侵洗，实践证明有效可行。

关键词：工业锅炉；水冷壁管；变形鼓包；爆管问题

1 项目概况

某纸业公司#2工业锅炉是一台高温、高压煤粉炉设备，其额定工作压力9.8MPa，额定蒸发量240t/h，额定温度540℃。该煤粉炉设备从2003年开始投入生产，目前运行时间超过10万小时。运行期间，该炉的水冷壁管未出现过问题。2015年七月份全面检验过程中，发现水冷壁多个部位已出现鼓包，因而在检查后局部更换了鼓包的部分水冷壁管。2016年二月份，该煤粉炉运行过程中发生了爆管问题。再次检查水冷壁管发现，诸多部位的鼓包现象更为明显。

2 #2工业锅炉水冷壁管爆管、变形鼓包的原因分析

#2工业锅炉采用的水冷壁管规格为20G（Φ60×5mm）。取爆管和鼓包管各一段作为试验的样本，分别对冷壁管的厚度、管材成分、力学特性、垢样成分和断口能谱等多个方面予以分析。

2.1 冷壁管的厚度

对爆管和鼓包管的样本进行多部位测量发现，爆管的水冷壁厚最小约为4.70mm，鼓包管的水冷壁后最小约为4.43mm，最薄处的厚度与原有厚度明显减小。而水冷壁管背离火源一端则没有明显的厚度变化。爆管则在爆口位置出现很大的塑性变化，边缘位置的厚度仅为2.4mm。鼓包管（除了出现鼓包部位以外的正常段）厚度则为4.4mm，其他正常。

2.2 管材成分

根据《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法GB/T43362002》的要求完成对爆管和鼓包管分别取样并分析其化学组成成分。从分析的结果来看，与《高压锅炉用无缝钢管GB53101995》所要求的20G（Φ60×5mm）钢管相比而言，同属一种材质，且同时能够达到《高压锅炉用无缝钢管GB53101995》的具体指标要求。

2.3 力学特性

水冷壁管背离火源一端和临近火源一端的爆管分别取样以备拉伸试验所用。水冷壁管背离火源一端的爆管试样取编号1#试验（含11和12），临近火源一端的爆管试样取编号2#试样（含21、22、23和24），临近火源一端的鼓包管試样取编号3#（含31和32）。以上试样均利用瓦片形状按比例进行拉伸试验。从已知的试验结果来看，所有背离火源一端的试样在拉强和屈强、伸长率三个方面都能满足《高压锅炉用无缝钢管GB53101995》现行标准的要求。而临近火源一端的试样仅有21试样可以满足《高压锅炉用无缝钢管GB53101995》现行标准的要求。22试样的试验拉强约624MPa，显然达不到《高压锅炉用无缝钢管GB53101995》现行标准的要求，所得13.44%的拉伸率却远远低于《高压锅炉用无缝钢管GB53101995》现行标准的要求。临近爆管口部约20mm位置的试验数据则能达到《高压锅炉用无缝钢管GB53101995》现行标准的要求，23试样在拉强和伸长率两个方面可以达到《高压锅炉用无缝钢管GB53101995》现行标准的要求，24试样的试验拉强则要大大高于《高压锅炉用无缝钢管GB53101995》标准要求的标准值。通过以上试验可知，爆管临近火源一端的管材组织发生了变化导致强度有所增大，与之同时塑性变差。

2.4 垢样组成成分分析

通过试验分析水冷壁管内壁的垢样组成成分含量比例为：SiO2：CaO：Al2O3 ：P2O5： Fe2O3：，Gd2O3=4.06：7.12：1.95%：534：72.53：4.90。为测定水冷壁管内壁的垢量可先将出现鼓包问题的水冷壁管制作成为30mm×3mm的管节，采用5%浓度盐酸+0.3%浓度的缓蚀剂+0.3% 1227添加剂的混合介质对管节予以侵洗（55℃环境），将侵洗下来的垢体进行称量，多次试验可以计算出垢量的平均值约为384g。

2.5 断口能谱分析

爆管断口部位可以通过扫面电镜的方式对能谱予以分析，观测断口的形态。若爆管断口完全被氧化层包裹则不能直接清晰观测形态，可先对其进行彻底清理。通过清理和观测发现本案例的爆管断口均为韧性断裂。

3 #2工业锅炉水冷壁管爆管、变形鼓包的分析结果

#2工业锅炉水冷壁管鼓包变形主要是因为内壁堆积垢物所致，该垢物的组成化学成分主要有Fe、Si、O、Ca、Al、P和Gd等元素，垢物外观颜色呈深褐色，鼓包变形管的平均污量约为384g，与现行标准要求的相差甚远。

爆管的水冷管内部临近火源的一端的材质组织发生了变化，主要存在一种马氏体过热组织，该类材质所展现的特征有拉强变大和伸长率变小，由此说明爆管的水冷内壁在实际工作状态下会出现一种局部超温的问题，且超温的幅度十分大，通常不低于A3温度。超温导致水冷管胀大，同时由于内压同时作用引起水冷管鼓包变形。

4 #2工业锅炉水冷壁管爆管、鼓包问题的处理方法

2016年二月，#2工業锅炉大修后的停炉期间采用甲酸+羟基乙酸为清洗主剂进行了锅炉整体酸洗，过程包括酸洗、漂洗和钝化。清洗结束后经检查除垢率达97.5%以上，腐蚀挂片平均腐蚀总量为10.14g，平均腐蚀速率为0.78g/m.h，监视管及汽包表面形成完整的钝化膜。

5 结语

#2工业锅炉水冷壁管鼓包变形主要是因为内壁堆积垢物所致，公司加强了水处理操作人员的培训和水处理设备的有效管理工作，锅炉用水达到《锅炉水（介）质处理监督管理规则TSG G50012010》、《锅炉水（介）质处理检验规则TSG G50022010》及《锅炉给水处理DL/T805.42004》标准。迄今为止，再未次发生鼓包变形和爆管问题，整个锅炉系统工作运行稳定，避免了因水冷壁爆管而停机带来的损失。

参考文献：

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