某热电厂锅炉水冷壁爆管原因分析

2021-09-01宋泽宇

安全、健康和环境 2021年8期

宋泽宇

(中国石化安全监管部，北京 100027)

水冷壁是电站锅炉的重要设备，水冷壁管的可靠性直接关系着电厂机组的安全稳定运行。由于其运行环境比较恶劣，在生产过程中经常会发生爆管等事故，造成装置的非计划停车。文献研究表明，导致锅炉水冷壁发生爆管事故的主要原因有过热、磨损、应力撕裂、焊接、材质和腐蚀等问题。为了确保电厂装置稳定运行，对锅炉水冷壁爆管事故进行原因分析，进而调整工艺和设备参数，预防事故再次发生。

1 事故概况

某石化企业自备热电厂有4台高压煤粉锅炉，额定蒸发量为220 t/h，其中一台锅炉在运行中乙墙后数第56根水冷壁管突然发生爆管，造成锅炉停炉。爆口为水冷壁管的向火面，位于标高19 m处(以下简称爆管)。水冷壁管材质为20G，规格φ60 mm×5 mm，内部介质为水，正常操作温度300 ℃，操作压力13.4 MPa。爆口附近的外壁烟气温度1 200～1 300 ℃，为炉膛内的温度高负荷区。

本文针对该热电厂锅炉水冷壁爆管事故开展宏观检验、壁厚测量、渗透检测、化学成分分析、金相检验、硬度检测、力学性能测试。同时，截取与爆管相邻的55#管以及准备更换的同材质新管进行平行对比试验，分析爆管的原因，并给出了针对性的解决方案及建议。

2 水冷壁管检验测试

2.1 宏观检验

对送检的爆管进行宏观检验，向火面外壁有黑褐色的过热特征，外壁腐蚀轻微，内壁无明显腐蚀现象。爆口位于焊缝下方40 mm处，长120 mm，宽45 mm，呈菱形，边缘壁厚有减薄。爆口两侧及下方存在大量的表面轴向裂纹。

爆管的管径存在明显的胀粗现象，最大测量直径67.0 mm，与原始规格相比，胀粗11.7%。

2.2 壁厚测量

对爆管进行壁厚测量。爆口边缘最小壁厚2.4 mm，爆口下方表面裂纹区域最小壁厚3.4 mm，其余区域向火面壁厚为4.0～5.0 mm之间，爆口附近壁厚出现了明显的减薄。背火面的壁厚为5.0～5.3 mm，无减薄。

2.3 渗透检测

对爆口下方的轴向裂纹区进行渗透检测，裂纹显色较浅且不明显，经打磨约0.5 mm深后，表面裂纹消除，再进行渗透检测，未发现缺陷。

2.4 化学成分分析

对爆管进行化学成分分析，另取55#管及准备更换的新管进行对比，结果见表1。分析结果表明，3个检测试样的化学成分均符合GB 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》标准要求。

表1 水冷壁管化学成分分析结果 %

2.5 金相检验

对爆口边缘取样进行金相检验，爆口边缘存在大量的黑色珠光体组织，珠光体明显多于20G正常的组织，如图1所示。

图1 爆管边缘的金相组织

爆口边缘内外壁未发现脱碳层及微裂纹，内外壁氧化层厚度均为0.1 mm，如图2所示。

图2 爆管向火面内外壁的组织及氧化层

爆管背火面金相组织正常，如图3所示。

图3 爆管背火面金相组织

对与爆管相邻的55#管向火面、准备更换的新管进行金相检验，其金相组织为珠光体+铁素体，珠光体含量正常，如图4和图5所示。

图4 55#水冷壁管向火面金相组织

图5 准备更换新管的金相组织

2.6 硬度检测

对爆管进行硬度检测，爆口上方向火面的硬度值为145～157 HB，爆口下方硬度值为170～178 HB，其余区域硬度值为163～173 HB。背火面的硬度值145～160 HB。硬度检测未发现明显异常。

2.7 力学性能测试

对送检的爆管以及对比的55#管和准备更换的新管取样进行力学性能测试，结果如表2所示。结果表明，爆管向火面的抗拉强度及伸长率不符合标准要求，其余试样测试结果均符合标准要求。

表2 力学性能测试结果

3 失效原因分析

综合上述检验结果分析，爆管宏观上有明显的胀粗，边缘壁厚显著减薄，说明爆管前，炉管曾出现过明显鼓胀。爆口附近外表面裂纹深度较浅，打磨约0.5 mm深后即可消除，因此分析裂纹实质是由于炉管鼓胀引起的表面氧化皮断裂造成的，与爆管无关。爆管的化学成分合格，向火面抗拉强度偏高、延伸率偏低，分析可能与炉管出现鼓胀、发生塑性变形有关。

爆管内外壁无明显腐蚀迹象，内壁金相检验未发现脱碳层及微裂纹，说明爆管与内部介质腐蚀无关。爆口附近金相组织未出现严重球化，氧化层厚度很薄，硬度值正常，说明爆管与炉管长期过热、材质劣化无关。

爆口边缘金相组织中出现了大量的珠光体，显著高于20G正常的珠光体含量，分析水冷壁爆口边缘已经发生组织相变，即水冷壁爆管前的短期温度明显高于20G的AC温度(相变转变温度)。由于锅炉运行过程中水冷壁外壁烟气温度1 200～1 300 ℃，当水冷壁管内出现水循环不良时，向火面管壁温度就会快速升高，炉管的强度下降，在管内高压作用下，向火面发生鼓胀塑性变形，最终出现瞬间爆破，形成大塑性爆口。爆破后，管内300 ℃左右的高温水及蒸气从爆口处高速喷出，对爆口边缘管壁金属快速冷却，产生了大量的珠光体组织。