摘 要:某垃圾發(fā)電廠鍋爐水冷壁管在運行過程中發(fā)生爆管事故,采用宏觀分析、化學成分分析、金相檢驗、力學性能測試等方法對水冷壁管爆裂失效的原因進行了分析.結(jié)果表明:高溫煙氣和煙氣中所含的有害物質(zhì)造成水冷壁管外壁的腐蝕減薄,導致水冷壁管抗內(nèi)壓強度嚴重降低而發(fā)生爆裂.
關鍵詞:水冷壁管;爆裂失效;腐蝕;抗內(nèi)壓強度
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０９Ｇ０６８９Ｇ０３
收稿日期:２０１７Ｇ０７Ｇ１２
作者簡介:任凱(１９８８－),男,工程師,主要從事理化檢驗和失
效分析工作,renkai３５７＠１２６．com
某垃圾發(fā)電廠鍋爐于２０１５年７月２９日投入運行,２０１６年７月２３日該鍋爐第一煙道水冷壁管發(fā)生爆管事故.爆裂水冷壁管材料為２０G 鋼,規(guī)格為?６４mm×６mm,工作溫度為４６０ ℃,爐內(nèi)壓力為６．４MPa,管內(nèi)冷卻水壓力約為７ MPa.鍋爐運行記錄顯示,該部位自投運首次發(fā)生爆裂事故,水冷壁管爆裂失效前鍋爐運行正常.本次因水冷壁管發(fā)生爆裂失效導致機組停機,為查找失效原因,筆者對爆裂失效的水冷壁管進行了檢驗和分析,以期杜絕此類事故的再次發(fā)生.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀分析
對爆裂失效的管道進行宏觀觀察,可見管道的向火側(cè)外壁發(fā)生嚴重的腐蝕,爆裂位置的形貌如圖１a)所示.爆裂位置位于爐膛內(nèi)靠近彎管約２０cm 處.爆裂處管體壁厚明顯減薄,最薄處約為０．６１mm,如圖１b)所示;外壁腐蝕嚴重有腐蝕產(chǎn)物形成,附近有一條長約９mm的裂口,如圖１c)所示.在遠離爆裂位置的背火側(cè),管道表面有明顯的腐蝕產(chǎn)物形成,內(nèi)、外壁均未見明顯裂紋.
１．２ 化學成分分析
分別對新管、爆管附近和遠離爆管處取樣進行化學成分分析,結(jié)果見表１,可見其化學成分均符合GB５３１０－２００８«高壓鍋爐用無縫鋼管»對２０G 鋼成分的要求.
１．３ 金相檢驗
在向火側(cè)爆裂位置附近沿軸向切取金相試樣進行觀察,如圖２所示.可見其顯微組織為鐵素體＋珠光體,未見明顯晶界熔化及魏氏體組織,晶粒度為７．５~８．０級,如圖２a)所示.管體內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)約７９μm厚的脫碳層,如圖２b)所示;外壁腐蝕坑深度約
２１３μm,如圖２c)所示;內(nèi)壁腐蝕坑深度約１０５μm,如圖２d)所示.未發(fā)現(xiàn)珠光體球化及高溫蠕變特征,從而排除管道超溫運行的情況.對其進行非金屬夾雜物含量評定,結(jié)果為:球狀氧化物夾雜D 類１．５級,DS類０．５級.在遠離爆裂位置的背火側(cè)取樣,觀察其顯微組織和脫碳層形貌,如圖３所示.可見背火側(cè)(內(nèi)壁)脫碳層厚度約為４０μm,其顯微組織和晶粒度均符合GB５３１０－２００８的要求.
１．４ 力學性能測試
在靠近爆裂位置的向火側(cè)取縱向試樣進行力學性能測試,并與新管的力學性能測試結(jié)果進行對比,結(jié)果見表２,可見其均符合GB５３１０－２００８的要求。
２ 分析與討論
通過以上理化檢驗可知,造成水冷壁管爆裂的原因是外壁在高溫煙氣的沖刷及腐蝕下,金屬與煙氣中的硫以及管壁上沉積的硫酸鹽及氯化物等發(fā)生反應產(chǎn)生腐蝕,煙氣中的有害物質(zhì)不斷接觸管體,對管壁持續(xù)沖刷導致管壁減薄直至強度不足,使得管道在使用過程中爆裂[１Ｇ７].內(nèi)壓破裂強度計算公式如下
P ＝０．８７５??２YptD (１)
式中:P 為抗內(nèi)壓強度,b??in－２;Yp 為材料屈服強度,b??in－２;t 為壁厚,in;D 為外徑,in.通過計算,新管?６４mm×６mm 的標準最低屈服強度的抗內(nèi)壓強度為５８２５．６７b??in－２(４０．１７MPa).而實際測量殘余管體最薄處的厚度為０．６１ mm(０．０２４in),此時的抗內(nèi)壓強度為５９２．４４b??in－２(４．０８MPa).燃燒室的工作溫度為４６０ ℃,管道外壁的接觸溫度為實際工作溫度,管體的屈服強度會隨著溫度的升高而顯著降低.因此,當設備啟動瞬間或者有
裂的重要原因[５Ｇ６].螺紋牙底為應力集中區(qū)域,在腐蝕環(huán)境下,螺桿的抗疲勞性能會進一步降低[７Ｇ８],因此螺桿在螺紋底部的腐蝕坑處首先萌生疲勞裂紋,疲勞裂紋不斷擴展,螺桿最終失穩(wěn)斷裂.
３ 結(jié)論及建議
在運行過程中螺桿螺母端螺紋連接副表面發(fā)生磨損、腐蝕且螺桿承受交變彎曲載荷作用,導致螺桿發(fā)生了腐蝕疲勞斷裂.建議改進螺桿螺母端的密封工藝以避免腐蝕介質(zhì)滲入,優(yōu)化調(diào)心墊片結(jié)構,使其調(diào)心靈活,降低螺桿的彎曲應力。
高溫煙氣和煙氣中所含的有害物質(zhì)造成水冷壁管外壁的腐蝕減薄,導致水冷壁管抗內(nèi)壓強度嚴重降低而發(fā)生破裂。
建議在日常的運行過程中加強對水冷壁管的監(jiān)測,在停機維護期間使用超聲波測厚儀對管體進行檢測,管體的減薄部位要及時更換,避免爆管事故的再次發(fā)生.
文章來源：材料與測試網(wǎng)