基于实验的工业锅炉锅筒鼓包事故失效分析

许晓颖 郭 琳 齐洪洋

（广东省特种设备检测研究院茂名检测院）

工业锅炉广泛应用于食品、化工及造纸等各行业工厂的物料加热工序中，在工业进步进程中起到了至关重要的作用。 但锅炉内工质处于高温、高压状态，且部分受压元件与火焰直接接触，是一类运行工况恶劣、危险性极高的承压类特种设备，一旦发生事故，轻则停炉停产，重则引起爆炸，造成严重的后果［1～5］。 锅筒鼓包是锅炉常见的安全事故之一，经常发生在水冷壁管或锅筒的受火面上。

在正常运行情况下，锅炉内介质是充分流动的，从而使各受压部件得到冷却，并不会发生塑性变形；但当介质流动不畅，受火面得不到有效冷却时，金属温度过高，导致材质劣化、强度降低，无法承受内部介质压力，发生塑性变形，即产生鼓包现象［6～10］。

1 案例描述

某企业工业锅炉型号为DZL4-1.25-AⅡ，锅筒设计最小需要壁厚15.47mm，实用壁厚16mm，材料为20G。在使用过程中发现锅筒鼓包，鼓包位置位于锅筒人孔正下方的锅筒底部，基本为球状凸起，变形范围φ320mm，其峰高约25mm，宏观特征如图1 所示。 锅筒内表面附着层片状水垢，并有脱落痕迹，鼓包部位堆积大量的白色片状水垢，片状水垢厚2～3mm，堆积高约75mm，底部为淤泥状水垢。

图1 鼓包部位示意图

2 失效分析

发生塑性变形，是因为材料受力状态远超其弹性受力极限，当外力消失后，不能恢复原状，产生了永久性变形，如图2 中ek段。

图2 低碳钢拉伸曲线

图中，oe段为纯弹性变形阶段， 卸去载荷时，试样能恢复原状；e点开始发生塑性变形；s点出现屈服现象， 有明显的塑性变形；sb段为强化阶段，试样产生均匀的塑性变形，并出现了强化；b点为最大载荷，试样出现缩颈现象；k点试样被拉断。

经调查，安全阀可以正常起跳，即现场未发生锅炉超压现象，说明鼓包现象并非因受力过大引起，而是由于锅筒材料强度降低导致的。 锅筒材料强度降低一般是因为厚度减薄或材质劣化。为了对上述鼓包进行深入研究，依次进行了壁厚分析、硬度测定、金相分析、水质分析及运行情况调查等分析手段。

2.1 壁厚分析

为分析鼓包是否因壁厚减薄引起，将鼓包部位和附近未发生鼓包的部位打磨至露出金属光泽，并对该部位进行超声波壁厚测定，精度±0.1mm，测点位置分布如图3 所示，测厚结果见表1。

图3 测点位置分布

表1 鼓包部位及附件部位测厚值 mm

测厚结果表明，从鼓包外围至鼓包的顶峰位置，均未发现明显壁厚减薄。 因此可以判断，鼓包变形不是由锅筒腐蚀减薄引起的。

2.2 硬度测定

鼓包与壁厚无关，高温材质劣化亦有可能导致材料强度下降。 硬度与强度成正比关系，强度降低可以表现为硬度降低。 因此，可通过对硬度的测定，间接获悉强度变化情况。 分别对鼓包部位和附近未发生鼓包部位进行硬度测定，测点分布位置如图3 所示，结果见表2。

硬度测定结果表明， 鼓包部位明显硬度偏低，鼓包中心部位硬度最低。 怀疑材质劣化，须做进一步金相分析。

表2 鼓包部位及附件部位硬度值HB

2.3 金相分析

室温下钢的组织和性能一般是相当稳定的，但在高温下，材料组织将发生变化。 这种变化会引起其性能的改变［11］。 其中，碳钢的珠光体球化对钢材高温强度的影响是最明显的。 当材料在高温工况下时，会发生珠光体球化，球化发展到一定程度后， 随着运行时间延长逐渐产生蠕变损伤；二者相互影响，在高温下，加速材质劣化，产生微裂纹，在压力作用下，导致破裂［12］。

对此鼓包部位进行金相分析， 分别取2#、6#、10#3 个测点进行截面金相分析对比试验，取样部位为各点的受火面、内部金属和介质侧表面。 其中，鼓包中心附近部位2#测点金相分析结果如图4 所示。

图4 2#测点金相分析结果

锅筒材料为20G， 未产生材质劣化的情况下，该材料由珠光体和铁素体构成［13］。 对鼓包的不同部位进行金相分析，结果表明：受火面外表面金属珠光体已完全球化，球化等级达到5级［14］；内部金属和介质侧金相组织仍为珠光体加铁素体。 经进一步对锅筒金属截面进行金相分析发现， 珠光体完全球化深度平均值为2.0mm，受火面深度为0.0～3.0mm 范围内存在不同程度的珠光体球化。

金相分析表明， 锅筒外表面材料明显超温，同时存在珠光体球化和蠕变损伤。 锅筒超温主要由于介质流动性差、热循环受阻导致，即水垢堆积，热循环受阻。

2.4 水质分析

水垢是造成水循环不畅、锅筒超温并发生材质劣化的主要原因。 为了查明水垢来源，对锅炉水质进行了详细分析，包括原水、给水和炉水，结果如下：该锅炉采用水井水源，即地表浅水，水质硬度大、泥沙多，经水处理设备后供给锅炉。 抽取水样进行化验，锅炉给水硬度是1.5mmol/L，远高于GB/T 1576—2008 《工 业 锅 炉 水 质》［15］规 定（0.03mmol/L）。经核查水处理设备，发现水处理钠离子交换用树脂已经失效，不符合水处理设备标准GB/T 18300—2011《自动控制钠离子交换器技术条件》［16］的要求。

2.5 运行情况调查

针对锅炉和水处理设备的运行情况做了详细调查，结果发现：锅炉在运行期间，水处理设备未正常投入使用，导致水质硬度超过国家标准要求；检查往期检验资料，在半年前锅炉内部检验工作中，由于打开人孔盖的操作，将部分水垢振动脱落，使人孔底部有积垢，后期并未将堆积的水垢清除干净， 导致该处水垢不能及时排出，反而阻挡正常排污，最终导致水垢堆积；对司炉人员的调查发现，未能按照规定对锅炉进行维护保养，未做到定期对锅炉水质进行检验，对于水垢做过煮炉处理，但是未按操作规程进行排污。

3 结果分析

经过上述分析和调查，此案例中发现多处异常：

a. 水质问题，由于锅炉给水未经处理合格即补给锅炉，炉水硬度超标，在高温下，锅筒内壁上产生大量水垢；

b. 水垢堆积， 在锅炉产生蒸汽的过程中，形成大量水垢，水垢附着在锅筒和管子上，达到一定厚度（2～3mm），由于水垢的热膨胀系数与锅筒材料不同或振动（如拆除人孔操作）等原因，脱落至锅筒底部，在原本就有积垢、介质排污流速较低部位形成水垢集中堆积的现象；

c. 材质劣化，水垢的导热性差，其热阻是锅筒材料热阻的40～100 倍，因此，堆积的水垢严重阻碍了锅筒局部正常传热，锅筒外壁所受热量不能及时从受热面传递到锅筒内部介质，导致锅筒金属局部温度过高，材质劣化，强度降低，承压能力不足；

d. 锅炉管理问题，司炉人员未能按照规定对锅炉进行维护保养，未做到定期对锅炉水质进行检验。

综合以上现象，总结出此次锅筒鼓包事故的形成过程：水质不达标→产生严重水垢→水垢局部堆积，且未及时清除→热循环不畅，锅筒外壁局部温度过高→材质劣化，强度不足→内压高于强度允许值→发生鼓包。

4 维护保养建议

任何安全事故都不是单一因素引起，而是多方面安全隐患叠加的结果。 在此案例中，可以看到整个事故形成过程有多个步骤，任何一个步骤都可以单独出现在锅炉运行中，都会最终导致这一事故发生。 假如任何一个步骤得到有效控制，都可以延缓甚至阻止鼓包的发生。 严格控制人员管理、设备管理以及设备和人员工作状态管理等因素，可以有效减少安全事故的发生。 为防止类似锅炉鼓包事故再次发生，提出以下建议：

a. 建立健全相关人员管理制度，配备水处理化验员，做好水质化验工作，加强水质技术管理，使锅炉水质符合GB/T 1576—2008 《工业锅炉水质》的规定；

b. 配合生产， 定期对锅炉进行停产开盖自检，如有水垢超标现象，应及时对锅炉水侧进行化学清洗，并按规定清除水垢；

c. 应对锅炉司炉人员进行专业技术培训和责任心培养，按照相关规章制度及锅炉使用说明书做好锅炉运行、维护和保养工作，并做工作记录，确保锅炉安全运行。

5 结束语

针对此次锅筒鼓包失效案例阐述了鼓包失效分析过程，得出了鼓包失效的原因，提出了维护保养建议。 随着社会工业化程度的发展，工业锅炉的数量会越来越多， 事故案例也会越来越多，本案例中的事故分析过程、结论和维护保养建议具有广泛的借鉴意义。