某厂SZL4-1.25-A锅炉水冷壁爆管事故检验及处理

锅炉受热面管爆管给企业带来了极大的经济损失, 困扰着企业的安全生产。卧式快装蒸汽锅炉SZL4-1.25-A, 双锅筒纵置式, 链条炉排一小时产生4吨蒸汽, 1.25MPa压力, 无烟煤, 即4吨无烟煤双锅筒纵置式1.25MPa链条炉排锅炉。这种锅炉发生事故的情况比较少见。

1 事故情况简介

2009年6月2日早上6点左右, 某厂一台型号SZL4-13-W (该炉为偏锅筒) , 出厂编号86-1-37, 太原锅炉厂1986年制造, 1990年投用, 使用压力0.5MPa。1999年大修更换过水冷壁管。该炉手续齐全, 有历年检验报告。在满负荷运行下, 突然发生爆管事故。停炉后检查, 发现爆管点位于左侧水冷壁第一根规格φ51×3.5mm (从前向后) 材质为20#的无缝钢管, 第二三根也存在变形。右侧水冷壁管部分变形, 炉膛前顶棚塌陷, 面积约1500×1200mm, 后顶棚浇注物有轻微松散现象。上锅筒内表面水冷壁管胀管区域有过热发黑现象, 其它部位未见异常, 下锅筒未见异常, 炉膛内有结焦现象, 锅筒、管子内部均无结垢、腐蚀。锅炉液位计、压力表、安全阀等安全附件外观检查完好。爆管前, 安全阀并没有起跳。

2 检验

爆管后, 对锅炉现场及燃燃方式进行了了解以及割管后对爆管部位进行了宏观检验、壁厚测量和金相显微镜等检验。

2.1 宏观检验

左侧水冷壁管第一根爆管段向火侧出现裂口长约100mm, 钢管因爆裂作用而弯曲变形, 但可看出爆口呈喇叭状, 沿轴向撕裂, 有明显的塑性变形, 撕口处边缘厚度为1.4mm, 破口轴向长86mm, 径向宽52mm, 边缘厚度0.2mm, 靠近破口处的管壁是突然减薄。爆口管内壁光滑, 外壁呈蓝黑色, 有轻微结焦。右侧水冷壁管严重变形, 棚管段向下最大变形量3 9 0 m m, 立管段向后拱方向最大变形量93mm。两侧水冷壁管均无氧化皮脱层现象, 外表面光滑且有冲刷痕迹。从爆破口的形貌分析, 该爆破口具有短期过热爆管的破口特征, 但又夹杂了长期过热爆管的一些征状, 因此仅凭形貌特征还不能断定爆管的类别。

2.2 壁厚测定

爆管经切割分解后, 肉眼观察并用游标卡尺 (精度0.02mm) 对管件若干部位的壁厚、内径、外径等进行了测量。经测厚, 两侧水冷壁管壁厚最大值2.5mm, 最小值1.6mm, 均有明显减薄迹象。

2.3 爆破管的管径变化情况

水冷壁管因过热爆破之前, 管径总是胀粗的。水冷壁管的爆破, 正是管径胀粗超过了极限的结果。

由于水冷壁管有向火面与背火面之分, 向火面管壁温度高, 因而蠕变速度较大, 该处金属强度也由于温度过高而降低;背火面管壁温度较低, 因而蠕变速度也较小, 而该处的金属强度也由于温度低而较高。这一现象在水冷壁管因短期超温过热爆管和长期过热爆管均如此。在水冷壁管管径胀粗的同时管壁也逐步变薄。随着管径胀粗及管壁减薄的程度不同, 应力分布也同时发生了变化, 并最终常常在向火面处发生爆破。测量可知爆破管段的相对胀粗值在20.8左右, 裂纹型破口相对胀粗值在8~18, 比较而言, 爆破口管段胀粗比裂纹型破口管段严重。

2.4 破口的组织和性能变化分析

用PME-3金相显微镜对各破口组织和性能变化分析如下。

爆破口边缘沿壁厚方向的金相组织为铁素体珠光体碳化物颗粒粒状贝氏体, 铁素体沿变形方向被拉长, 碳化物明显增加。从破口组织看出, 该管子爆破超温温度未超过20号钢的Ac1 (约735℃) 但接近Ac1点, 因此在爆破时未形成奥氏体组织, 而铁素体产生变形。当管子爆破后, 水冷壁管内温度约300℃左右的汽水混合物从管内高速冲出, 迅速冷却破口, 使爆破边缘、组织内部碳原子重新分布, 在奥氏体贫碳区开始形成大体平行的铁素体板条, 碳几乎都富集到奥氏体中, 铁素体板条进一步长大并侧向靠拢, 最终将高碳奥氏体包围起来成孤立小岛。板条铁素体非常细小, 难以辨认, 只见到组合成的块状铁素体, 从而得到粒状贝氏体。

3 原因分析

3.1 水循环不良, 局部超温造成爆管

经过对该炉损坏特征、现场检查情况和结合形貌特征综合分析, 本次事故属典型的短期过热爆管。造成短期过热的原因, 与锅炉发生水循环故障或缺水有关。锅炉在运行过程中, 水冷壁管直接受炉膛火焰高温辐射, 当锅炉水位偏低时, 在下降管处产生外汽穴, 将汽空间的蒸汽吸入下降管, 使水循环受阻, 冷却条件恶化, 壁温在很短时间内迅速上升, 致使管材在高温下发生过热现象, 强度急剧降低。此时右侧水冷壁管由于受顶棚耐火砖和浇注物重力作用首先发生弯曲变形。同时, 两侧水冷壁管因烟气冲刷、磨损及腐蚀等原因造成管壁减薄, 管壁最薄的管子强度最差, 在介质压力作用下, 管壁向火侧鼓包, 进而剪切断裂发生爆破。但从该炉右侧水冷壁管变形损坏程度, 以及上锅筒内过热发黑现象分析, 本次事故属于缺水导致过热损坏的因素更大。在缺水状态, 上锅筒受辐射热和水冷壁管传热作用, 因此发生过热发黑。同时, 水冷壁管内发生急剧汽化, 导致变形损坏或爆管发生的时间更短, 破坏程度也更大。从管子外壁没有氧化皮脱层现象可以更加证明这一判断。因为在缺水状态下, 高温运行时间极短就可能造成破坏, 在外壁来不及形成氧化皮层。因此, 该炉是短时 (瞬时) 高温过热, 导致钢材强度降低, 从而造成水冷壁管变形及爆裂事故

3.2 水冷壁管外表面光滑且有冲刷痕迹, 结构上未布置防止烟气冲刷管子的装置, 使管子受烟气磨损减薄

由于冲击力的作用, 在受力最集中的地方, 磨损也最大, 同时又受管内汽水混合物压力及炉膛热应力作用, 经过一定时间后被剌穿。

3.3 运行工况的不稳定产生热疲劳对爆管起到了促进作用

该锅炉运行工况不稳定, 启停比较频繁。受炉膛温度频繁变化的影响, 水冷壁壁温也在一定范围内较频繁的变化, 从而引起局部交变热应力并产生热疲劳。

4 防护措施

(1) 在水冷壁管增加防磨措施, 避免管子严重冲刷。

(2) 采用正确的锅炉运行方式, 在正常运行中要保持负荷稳定, 尽量采用低负荷运行方式, 减少锅炉启停次数, 避免锅炉长时间超负荷运行。

(3) 使用单位应加强对锅炉等特种设备的安全管理工作, 加强锅炉规范化操作和维护保养监督检查。

(4) 建议近期对自动控制系统和安全附件进行全面检查和校验, 确认其处于完好状态。

摘要：介绍了锅炉水冷壁爆管的特征, 利用宏观检验、仪器测量和金相显微镜对产生爆管的原因进行了分析, 并结合实际情况对锅炉的使用提出了防护措施。更换失效管子后, 目前已安全运行3个月。

关键词：水冷壁,爆管,分析,防护