锅炉水冷壁管爆裂原因探讨

http://www.microimage.com.cn(2011-06-15 15:06:26)

摘 要:通过对锅炉结构及运行状况系统调查和综合检验分析,认为水冷壁管爆裂的根本原因是蒸汽量达不到额定值所致。另外,水冷壁管存在的组织缺陷、轧制不均匀以及弯曲处壁厚减薄也是造成水冷壁管爆裂不可忽略的因素。

关键词:水冷壁管;短时超温;组织缺陷;爆裂

1概况

UG-3.8/20-M20t/h。自投入使用后,运行情况一直不理想,实际产汽量只有10t/h。自19972月至19989月,该锅炉内上升水冷壁管在面向火焰区弯曲处先后4次发生爆裂。事后对水冷壁管的爆裂原因进行了分析,并对锅炉进行了合理改造,至今运行基本正常。

2锅炉结构及运行简介

该锅炉循环回路示意图见图1。它由锅筒、集水箱、上升管即水冷壁管、下降管组成。在此闭合回路中,工质不停地循环流动着。其循环流动方式靠上升管与下降管之间工质密度差来进行。在进入锅炉前的工质经加热、除氧后达到105255℃后到锅筒,在锅筒内的工质呈汽液并存状态,正常开车时锅筒壁上测压点压力为38MPa。横卧的锅筒内介质汽液分层,锅筒上部为蒸汽,下部为水,水沿炉外下降管到集水箱,集水箱内工质再通过炉内上升管进入锅筒,实现循环流动。

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3水冷壁管结构及其管内工质运行状况

锅炉内水冷壁管平行排列,水冷壁管规格为:Φ60mm×3.0mm,管间距S90mm,为了增加受热面,水冷壁管安装前作了一定的弯曲处理,水冷壁管结构简图见图2

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为使锅炉安全可靠运行,所有受热面都应得到工质足够的冷却,以保证金属壁温不超过允许的工作温度,如果在受热的上升管中出现工质流动的停滞、倒流、汽水分层、膜态沸腾等现象,管壁受水膜冷却的条件将遭到破坏,受热管可能因超温或热疲劳而导致损坏。

锅炉上升管中的工质由液相转化为气液两相流动。由于给水温度一般低于饱和温度,进入锅筒与锅水混合后,锅水平均温度也要低于饱和温度,所以水在进入上升管后,有一段是未饱和水,故这一段是液相流体的流动,水经过一段高度后,到达汽化点时,开始沸腾,汽化产生汽泡,因此在汽化点以后,转化为气液两相流动。往上流动,继续受热,汽化越剧烈,汽泡越多,并连成大气泡,如“汽弹”状,几乎充满整个管子断面,但管壁上还保持着一层水膜。再向上流动,不断受热,工质中含汽量不断增加,大汽泡连接形成中间为蒸汽的汽柱,这时管壁还保留一薄层水膜,蒸汽占据中间的部分越来越大,水膜也越来越薄,直到水膜很薄的时候,水对管壁的冷却仍然可以保证。只有当含水量几乎全部蒸发时,同时汽速过高,才能将管壁上的水膜破坏,导致水冷壁管发生爆裂。由此可见,上升管的安全性与含汽量有关,而含汽量过低,汽速过慢,在形成大汽泡后,“弹状”大汽泡易滞流,尤其是在水冷壁管弯曲处,管子极易发生局部过热而引起爆裂。我厂锅炉工作时,蒸汽出口量仅为额定值的50%,含汽量过低,汽速过慢,由此造成上升管与下降管之间工质密度差大大小于设计要求,在小汽泡连成大汽泡即“弹状”汽泡时,“弹状”汽泡极易在上升管弯曲处滞流,造成弯曲部位短时超温而发生爆裂。汽水混合物在上升水冷壁管中的四种流动结构如图3所示。

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4宏观检查

从图4可以看出,爆炸破口呈喇叭口状,边缘锐利,管壁减薄严重,在破口内表面可见许多与轴向平行排列的密集裂纹,越靠近断口,裂纹变粗且呈枝状;离断口越远,则裂纹越细且呈线状分布,并逐渐消失。对破口内表面及沿轴向内表面延伸检查时,未发现任何明显的结垢存在。因此,可以断定该破口呈韧性爆裂,可排除水冷壁管爆裂是因结垢等原因引起的可能。另外对备用水冷壁管壁厚检查时,发现其最厚处为31mm24mm,这主要是钢管在热轧时造成的。

5理化检测

(材质为20g执行)不同部位取样进行理化检测。

5.1化学成分分析

在爆裂的水冷壁管破口背面和侧面及破口边缘分别取样进行成分分析,结果列于表1。由表可见,破口背面和侧面的化学成分相近,符合20g钢成分要求,但破口边缘碳含量偏低。

5.2力学性能试验

分别从破口一端塑性区、裂纹尖端未爆区及备用管上取样进行力学性能试验,结果列于表2。由表2可以看出,爆裂水冷壁管的抗拉强度与备用管相比,前者明显低于后者。

5.3金相检验

800mm处及破口边缘分别取样进行金相分析,结果发现,在未爆区的珠光体上存在着魏氏组织,见图5,其余均无明显的组织缺陷。在对备用管进行金相分析时同样发现了魏氏组织的存在,由此说明该锅炉水冷壁管原材料中存在着的组织缺陷。破口边缘金相检验结果表明,其显微组织为板条状马氏体,破口边缘处马氏体有脱碳层,见图6

5200×图6250×

6结果分析

根据断口形貌特征和裂缝的形成规律,对管状件而言,裂源一般位于爆炸破口张开最大处。内表面近破口处有许多肉眼可见的沿轴向排列的密集裂纹,愈靠近断口处,裂缝愈深,破口处即是裂纹最先贯穿管壁的地方。这种沿轴向排列的裂纹是管子在爆裂前承受较大的拉应力所致。该锅炉工作时,出口蒸汽量仅为额定值的一半左右。由于蒸汽量过低,流速过小,形成的“弹状”汽泡在管的弯曲处和倾斜处易滞留,造成水冷壁管弯曲部位温度短时急剧升高,压力急剧增大,使得弯曲部位工况变得十分恶劣。另外,水冷壁管存在的原始组织缺陷,即魏氏组织的存在,造成钢件的强度、塑性、韧性明显降低;破口边缘存在板条状马氏体,以及碳含量偏低,表明破口处爆裂前有过烧现象,其在爆裂时受到工质的激冷,形成低碳马氏体淬硬组织。从对备用水冷管的壁厚检测结果看,水冷壁管的壁厚存在着严重的不均匀现象,而弯曲过程又使管壁的弯曲部分进一步减薄,因此破口易发生在弯曲地方。

7结论

(1)蒸汽量达不到额定值是造成水冷壁管爆裂的主要原因;水冷壁管存在的组织缺陷、管壁厚度不均匀以及弯曲时造成弯曲处的壁厚减薄均对水冷壁管爆裂起到促进作用。

(2)确保锅炉运行中的额定蒸汽量,以改善工况条件,并更换符合要求的水冷壁管。

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