分享：电厂水冷壁管爆裂失效分析
摘 要:某垃圾发电厂锅炉水冷壁管在运行过程中发生爆管事故,采用宏观分析、化学成分分析、金相检验、力学性能测试等方法对水冷壁管爆裂失效的原因进行了分析.结果表明:高温烟气和烟气中所含的有害物质造成水冷壁管外壁的腐蚀减薄,导致水冷壁管抗内压强度严重降低而发生爆裂.
关键词:水冷壁管;爆裂失效;腐蚀;抗内压强度
中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０９Ｇ０６８９Ｇ０３
收稿日期:２０１７Ｇ０７Ｇ１２
作者简介:任凯(１９８８－),男,工程师,主要从事理化检验和失
效分析工作,renkai３５７＠１２６．com
某垃圾发电厂锅炉于２０１５年７月２９日投入运行,２０１６年７月２３日该锅炉第一烟道水冷壁管发生爆管事故.爆裂水冷壁管材料为２０G 钢,规格为?６４mm×６mm,工作温度为４６０ ℃,炉内压力为６．４MPa,管内冷却水压力约为７ MPa.锅炉运行记录显示,该部位自投运首次发生爆裂事故,水冷壁管爆裂失效前锅炉运行正常.本次因水冷壁管发生爆裂失效导致机组停机,为查找失效原因,笔者对爆裂失效的水冷壁管进行了检验和分析,以期杜绝此类事故的再次发生.
１ 理化检验
１．１ 宏观分析
对爆裂失效的管道进行宏观观察,可见管道的向火侧外壁发生严重的腐蚀,爆裂位置的形貌如图１a)所示.爆裂位置位于炉膛内靠近弯管约２０cm 处.爆裂处管体壁厚明显减薄,最薄处约为０．６１mm,如图１b)所示;外壁腐蚀严重有腐蚀产物形成,附近有一条长约９mm的裂口,如图１c)所示.在远离爆裂位置的背火侧,管道表面有明显的腐蚀产物形成,内、外壁均未见明显裂纹.
１．２ 化学成分分析
分别对新管、爆管附近和远离爆管处取样进行化学成分分析,结果见表１,可见其化学成分均符合GB５３１０－２００８«高压锅炉用无缝钢管»对２０G 钢成分的要求.
１．３ 金相检验
在向火侧爆裂位置附近沿轴向切取金相试样进行观察,如图２所示.可见其显微组织为铁素体＋珠光体,未见明显晶界熔化及魏氏体组织,晶粒度为７．５~８．０级,如图２a)所示.管体内壁发现约７９μm厚的脱碳层,如图２b)所示;外壁腐蚀坑深度约
２１３μm,如图２c)所示;内壁腐蚀坑深度约１０５μm,如图２d)所示.未发现珠光体球化及高温蠕变特征,从而排除管道超温运行的情况.对其进行非金属夹杂物含量评定,结果为:球状氧化物夹杂D 类１．５级,DS类０．５级.在远离爆裂位置的背火侧取样,观察其显微组织和脱碳层形貌,如图３所示.可见背火侧(内壁)脱碳层厚度约为４０μm,其显微组织和晶粒度均符合GB５３１０－２００８的要求.
１．４ 力学性能测试
在靠近爆裂位置的向火侧取纵向试样进行力学性能测试,并与新管的力学性能测试结果进行对比,结果见表２,可见其均符合GB５３１０－２００８的要求。
２ 分析与讨论
通过以上理化检验可知,造成水冷壁管爆裂的原因是外壁在高温烟气的冲刷及腐蚀下,金属与烟气中的硫以及管壁上沉积的硫酸盐及氯化物等发生反应产生腐蚀,烟气中的有害物质不断接触管体,对管壁持续冲刷导致管壁减薄直至强度不足,使得管道在使用过程中爆裂[１Ｇ７].内压破裂强度计算公式如下
P ＝０．８７５??２YptD (１)
式中:P 为抗内压强度,b??in－２;Yp 为材料屈服强度,b??in－２;t 为壁厚,in;D 为外径,in.通过计算,新管?６４mm×６mm 的标准最低屈服强度的抗内压强度为５８２５．６７b??in－２(４０．１７MPa).而实际测量残余管体最薄处的厚度为０．６１ mm(０．０２４in),此时的抗内压强度为５９２．４４b??in－２(４．０８MPa).燃烧室的工作温度为４６０ ℃,管道外壁的接触温度为实际工作温度,管体的屈服强度会随着温度的升高而显著降低.因此,当设备启动瞬间或者有
裂的重要原因[５Ｇ６].螺纹牙底为应力集中区域,在腐蚀环境下,螺杆的抗疲劳性能会进一步降低[７Ｇ８],因此螺杆在螺纹底部的腐蚀坑处首先萌生疲劳裂纹,疲劳裂纹不断扩展,螺杆最终失稳断裂.
３ 结论及建议
在运行过程中螺杆螺母端螺纹连接副表面发生磨损、腐蚀且螺杆承受交变弯曲载荷作用,导致螺杆发生了腐蚀疲劳断裂.建议改进螺杆螺母端的密封工艺以避免腐蚀介质渗入,优化调心垫片结构,使其调心灵活,降低螺杆的弯曲应力。
高温烟气和烟气中所含的有害物质造成水冷壁管外壁的腐蚀减薄,导致水冷壁管抗内压强度严重降低而发生破裂。
建议在日常的运行过程中加强对水冷壁管的监测,在停机维护期间使用超声波测厚仪对管体进行检测,管体的减薄部位要及时更换,避免爆管事故的再次发生.
文章来源：材料与测试网
