燃气蒸汽锅炉水冷壁爆管原因分析与处理
戴延龙++吉华
[摘 要]#5锅炉水冷壁发生鼓包现象及爆管事故，对水冷壁管从厚度、化学成分、力学性能、断口能谱及垢样多方面进行分析，最终确定是由于管内壁结垢严重，发生过热现象导致，采用甲酸及羟基乙酸对锅炉进行整体酸洗，效果显著，解决了鼓包及爆管问题。
[关键词]水冷壁、鼓包、爆管、酸洗
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0104-01
1、问题描述
中国石化集团四川维尼纶厂#5锅炉是一台高温高压煤粉炉，额定压力为9.8MPa，额定负荷为240t/h，额定温度为540℃。#5锅炉于2003年投入使用，至今已投用14年。，期间水冷壁工作正常，未发生重大事故。2013年3月份在对锅炉进行全面检查时发现其水冷壁多处位置发生明显鼓包现象，故对鼓包区域管排进行了局部更换。2014年8月份发生水冷壁鼓包爆管事故，对再次水冷壁进行全面检查，同样发现多处鼓包现象。
2、原因分析
#5锅炉水冷壁管材质为20G，规格为Φ60×5mm，对爆管水冷壁及鼓包水冷壁各取一段管子作为试样，从厚度测量、化学成分、力学性能、断口能谱及垢样等多方面进行全面分析。
2.1 厚度测量
对两根钢管进行了多个部位测量壁厚，爆管水冷壁最薄处为4.71mm，鼓包水冷壁最薄处为4.45mm。从数据可知除了爆口位置，钢管的背火侧及远离爆口位置没有明显减薄。爆口处由于较大的塑性变形，边缘的厚度为2.5mm左右。鼓包管除鼓包位置厚度约为4.45mm左右，其他位置没有明显减薄。
2.2 钢管化学成分分析
对爆裂的钢管和鼓包钢管分别取样进行材质化学成分分析，试验依据GB/T4336-2002《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法》进行，将测试结果与GB5310-1995《高压锅炉用无缝钢管》中20G的成分要求进行了对比，从测试结果可以看出，该两根钢管均为同一材质，且均满足GB5310-1995的要求。
2.3 钢管力学性能分析
对爆管的爆口位置的背火侧，靠近爆口处和远离爆口处向火侧分别取拉伸试样，1#试样为爆口处背火侧（1-1，1-2），2#试样为靠近爆口处向火侧及背火侧（2-1，2-2为向火侧，2-3，2-4为背火侧），3#试样为鼓包管向火侧取两根拉伸试样（3-1，3-2）。试样采用瓦片板状标准比例拉伸试样。拉伸试验结果见下表。从测试结果可以看出爆管爆口处背火侧的的抗拉强度、屈服强度和伸长率均满足GB5310-1995的要求；在靠近爆口处的向火侧拉伸试样，2-1号试样满足GB5310-1995的要求，2-2号试样的抗拉强度为624MPa，明显超出GB5310-1995的要求，而伸长率仅为13.5%，低于GB5310-1995的要求；距爆口处20mm向火侧取样的拉伸测试结果，2-3号试样强度及伸长率都满足GB5310-1995的要求，2-4号试样的抗拉强度高于标准值，而伸长率也较标准值偏低。鼓包管的拉伸结果均满足GB5310-1995的要求。
上述试验结果表明，爆管的向火侧存在组织改变而导致的强度增加，而塑性变差的情况（表1）。
2.4 断口分析
对爆口位置的断口处进行扫描电镜分析，观察其断口形貌。未清洗的断口表面被氧化层覆盖，不能看出断口形貌，对断口进行清洗后的，断口形貌为韧窝状。应为韧性断裂。
2.5 垢样分析
对鼓包水冷壁内壁进行垢样能谱分析，其各组分含量为：SiO2占4.06%，CaO占7.12%，Al2O3占1.95%，P2O5占5.34%，Fe2O3占72.53%，Gd2O3占4.90%。将鼓包水冷壁管加工成30mm左右长、3mm左右厚的管段，用5%盐酸+0.3%缓蚀剂+0.3%1227添加剂的介质在55℃左右温度下对其进行清洗，以测定结垢量，结果平均垢量為383g/㎡。
3、分析结论
鼓包水冷壁管内壁垢物致密、坚固，垢样中主要元素为铁、氧、钙、硅、磷、铝等，垢样颜色为深褐色，向火面有磷酸盐和氧化铁在高温下形成的致密垢，平均垢含量已达383g/㎡，远远超过标准；发生爆管水冷壁向火侧存在马氏体等过热组织，且拉伸强度明显升高，而伸长率下降，表明爆管的水冷壁管在运行过程中出现局部大幅度超温现象。超温幅度较大，应在A3温度以上，管子胀大，在内压力作用下最终导致破裂，水冷壁鼓包位置向火侧珠光体组织出现球化，且球化级别达到4.5级，说明该处也存在过热超温现象。综上分析，#5炉水冷壁发生鼓包及爆管的主要原因为管内壁结垢严重，运行过程中局部过热最终发生鼓包及爆管事故。
4、解决措施
为彻底解决#5炉水冷壁鼓包爆管问题，2015年1月#5炉大修停炉期间采用甲酸+羟基乙酸为清洗主剂进行了锅炉整体酸洗，过程包括酸洗、漂洗和钝化。清洗结束后经检查除垢率达97.5%以上，腐蚀挂片平均腐蚀总量为10.14g/㎡，平均腐蚀速率为0.78g/m.h，监视管及汽包表面形成完整的钝化膜。
5、结语
#5炉经过酸洗后，效果明显，迄今为止未再次发生鼓包及爆管事故，锅炉整体运行平稳，避免了因水冷壁爆管而停机带来的损失；同时水冷壁换热效率有所增强，燃煤热值利用率提高，一定程度上节约了燃料，带来经济效益。
参考文献
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