某垃圾焚烧炉水冷壁管爆口原因分析研究★

龙靖安，张启礼

（广东省特种设备检测研究院，广东 广州 510655）

0 引言

蒸汽吹灰器是电站燃煤锅炉主要采用的吹灰装置，利用高温高压蒸汽的射流冲击受热面上的积灰、结渣，当冲击力大于灰粒与灰粒或灰粒与管壁的作用力时，灰粒便脱落，从而达到清除受热面积灰、结渣的目的。实践证明，在锅炉运行过程中，经常对受热面进行吹扫，能有效保障锅炉正常运行，但蒸汽吹灰器系统设备维护保养受安装位置等因素的限制[1-2]。

1 设备概况

某企业3 号垃圾焚烧炉水冷壁管在生产过程中出现爆口。该垃圾焚烧锅炉生产制造商为四川川锅锅炉有限责任公司，型号为G-750-90.8/4.0/450-LJ，于2018 年7 月投入使用，运行超过5 年。出现爆口的水冷壁管段位于吹灰器旁，如图1 所示。为了分析并找出水冷壁管爆口的根本原因，进行如下试验。

图1 水冷壁管与吹灰器位置

2 爆口宏观形貌观察

爆口管是一条等径三通水冷壁管，材质为20#，规格为Φ76 mm×6.0 mm。水冷壁管爆口和外观形貌如图2 所示。肉眼可以看到弯管和直管外表面都有结焦，但爆口两侧存在一个明显吹损的平面，平面光滑。爆口位于弯管向火侧弯头正下方的位置，呈细长条形，总长度为129 mm，裂口细小，断裂面粗糙不平整，边缘不锋利，较钝，爆口两侧存在15 mm 宽的吹损平面，如图3 所示。直管未见有爆口，也无明显的冲蚀痕迹。

图2 送检水泠壁管

图3 爆口放大图

3 壁厚测定

把管子表面轻微打磨至露出金属光泽后，采用超声波测厚仪对直管和弯管进行壁厚测量。样管测量位置如图4 所示，测量结果如表1 所示。

表1 送检样管壁厚测量结果

图4 送检样管壁厚测点位置示意图

同样对样管背火面的壁厚进行测量，其结果为5.48 mm。从管子壁厚测量结果可以看出，水冷壁管整体壁厚是减薄的，向火面侧减薄明显，吹损面减薄较为严重。

4 硬度检测

在管子直管上任取一小块试样，在弯管吹损面及其旁边各切取一小块试样，在显微硬度计上分别对3个小试样进行显微硬度测量，检测结果如表2 所示。

表2 硬度分析结果

从表2 检测结果可以看出，所测量弯管吹损面的硬度远远大于其他部位和直管的硬度，也高于《优质碳素结构钢》GB/T699—2015 材质20#的硬度标准值，这有可能是弯管上的小平面吹损造成了管子的形变强化，也有可能是爆管后水冷壁内汽水混合物从管内高速冲出，迅速冷却爆口，使爆口处产生淬硬组织[3]。

5 拉伸试验

根据GB/T 228.1《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》附录E，针对管材试样，采用以全壁厚纵向弧形试样对管子进行拉伸试验。因管子弯管段向火面出现爆口，不能在该管子向火面取样进行拉伸试验。现对弯管的背火面、直管的向火面及背火面沿管子纵向各加工1 个拉伸试样。在电子万能拉伸试验机上进行拉伸试验，拉伸试验结果如表3 所示。

表3 拉伸试验结果

从表3 拉伸试验结果可以看出，弯管背火面的伸长率小于标准值，直管向火面和背火面的屈服强度接近标准下限，其余指标符合要求[4]。

6 微观形貌分析

为了观察和分析弯管爆口的显微形貌，在弯管出现爆口的吹损平面切一小块，用扫描电镜分别对小试样的内外表面进行微观形貌分析。其外表面相当不致密，有许多空洞，颗粒较大，且颗粒间存在较多微裂纹，如图5、图6 所示。在吹损平面背面（管子内表面），其表面整体比较平整致密，未发现有微裂纹，如图7、图8 所示。

图5 弯管吹损面外表面微观形貌图（50×）

图6 弯管吹损面外表面微观形貌图（198×）

图7 弯管吹损面内表面微观形貌图（50×）

图8 弯管吹损面内表面微观形貌图（200×）

7 金相组织分析

在管子弯管横截面及吹损平面取一小试样进行研磨、抛光后，用金相显微镜观察试样表面，没有看到明显的杂夹物。再用质量分数为3%的硝酸酒精溶液进行浸蚀，将制备好的金相试样于金相显微镜下进行组织观察[5]。

弯管横向金相组织为珠光体+铁素体，珠光体球化级别为2.5 级。同时从金相图片可以看出，晶粒有一定程度的变形，如图9 所示。

图9 弯管横截面金相组织图（500×）

吹损平面处的金相组织也是铁素体+珠光体，不过组织分布严重不均匀，且吹损处边缘晶粒变形严重，未发现淬硬组织，如图10、图11 所示。

图11 吹损平面处金相组织图（500×）

8 结果分析

通过对水冷壁管子进行宏观观察、壁厚测量、硬度检测、爆口表面微观形貌观察和金相组织分析等，所得结果如下：

1）宏观可见弯管爆口处两侧各有15 mm 宽的吹损平面；

2）通过壁厚检测，发现水冷壁管整体壁厚减薄，爆口边壁厚减薄最为严重，最薄处仅为1.29 mm；

3）通过对管径进行测量，未发现明显胀粗现象，说明水冷壁爆口不是短时过热造成的；

4）水冷壁管吹损平面的显微硬度远高于其余部位，也高于其标准规定值，这是形变强化导致的，也验证了该处减薄不是由于腐蚀造成的；

5）通过扫描电镜对弯管爆口的吹损平面进行观察，其外表面相当不致密，有许多空洞，颗粒较大，且颗粒间存在较多微裂纹，管子内表面无微裂纹，说明裂纹是从外向内扩展的；

6）水冷壁管金相组织为珠光体+铁素体，未见明显球化现象，故可以推断出爆口不是由过热造成的[6]。

基于上述分析，可以断定该水冷壁管爆口的最主要原因是吹损所致。

9 控制措施

针对此次水冷壁管爆口的情况，提出相关建议：在易吹损的部位采用喷涂工艺喷涂一层耐磨材料，或采用堆焊工艺堆焊一层耐磨材料；在不影响吹灰的情况下，降低吹灰的工作压力；避免吹灰蒸汽含有水分。