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电站锅炉水冷屏上集箱连接管弯头爆管原因分析及处理建议

2024-06-14 111 上传者：管理员

摘要：旧锅炉加装水冷屏是常见的提升锅炉热效率的改造手段。本文针对某热电厂加装的锅炉水冷屏上集箱与汽包的连接管弯头发生爆管这一典型问题，从宏观分析、外观尺寸测量、化学分析、室温力学性能试验、金相检验、内壁垢层和外壁氧化膜厚度测量、扫描电镜分析等多角度、多技术手段，对爆管原因进行了全面深入的分析，并给出了此类问题的处理建议。以此为特种设备监管部门、检验检测机构和使用单位相关人员提供技术参考，并引起大家的重视和关注，减少或避免类似爆管问题再次发生。

关键词：
原因分析
处理建议
水冷屏
爆管
电站锅炉
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1、前言

某热电厂锅炉于2015年进行改造。改造过程中，在炉膛内部加装了水冷屏，水冷屏上集箱通过连接管接入汽包管，2023年，在运行过程中，水冷屏上集箱与汽包的连接管弯头发生爆管。对此，我们对现场爆口进行割管取样，并对样本进行了宏观分析、材质分析、室温力学性能测试、金相检验及扫描电镜分析等，从而找出了连接管弯头爆管的根本原因。

2、锅炉参数及爆口连接管规格

该锅炉和爆口连接管的参数如表1所示。

表1 锅炉和爆口连接管参数

3、样本检验

3.1 爆管样本外观及测点示意

爆管后的割管外观如图1所示，部位①为爆口处，部位②为爆口背弧面内壁，部位③为靠近爆口处，部位④为远离爆口处，样本长约700mm，破口长约450mm，开口最大处长约380mm。

图1 爆口割管分析样本

3.2 宏观检验

从爆口实拍图可以看出，破口呈喇叭状，张开较大，边缘锋利，减薄较多，呈刀刃状，有明显塑性变形痕迹，断面较为平整，呈撕裂状；破口起源于弯头外弧侧中间区域，此处壁厚最薄，且变形最大，裂纹沿纵向快速撕裂，在尾部可见微小裂纹，如图2所示。

图2 爆口实拍图和爆口尾部微小裂纹

爆口处的外壁氧化膜致密，无明显裂纹，管内壁氧化膜致密，同时在内壁可见较多沿纵向分布的类似裂纹缺陷（沿内壁纵向分布，不间断）和凹坑，特别是爆口裂纹尾部处内壁可见较多沟槽和凹坑，如图3所示。

图3 爆口内壁类似裂纹缺陷和凹坑

3.3 外径及壁厚测量

该爆管部位④的外径及壁厚测量结果如表2所示。由测量结果可知，爆管正常部位有明显的胀粗，其胀粗量为4.2%，大于3.5%的限定值。炉管有轻微减薄现象，其最大减薄量达1.7%。

表2 该连接管尺寸（表中括号内的数据为平均值）

3.4 化学成分测试

该爆管的化学成分测试结果如表3所示。由测试结果可知，该爆管的化学成分符合20G钢的标准要求。

表3 化学成分测试结果（wt.%)

3.5 室温力学性能试验

该爆管部位④的拉伸和冲击测试结果如表4所示。由力学性能测试结果可知，该连接管弯头虽然其拉伸性能和冲击性能指标均符合20G钢的标准要求，但其断后伸长率刚刚达到标准下限的要求，且数据波动较大。

表4 拉伸和冲击测试结果

该爆管硬度测试结果如表5所示。由硬度测试结果可知，爆口处（部位①和部位②）硬度值略高于标准上限要求，这与此处弯头加工和爆口形变有关；其他部位硬度值正常。

表5 硬度测试结果

3.6 金相检测

该爆管的金相组织观察结果如表6所示，对应的金相组织如图4～7所示。由金相检测结果可知，该连接管弯头各部位基体金相组织相近，其晶粒度和组织球化级别相同，球化级别为2.5～3级，接近于中度球化，该连接管弯头组织无明显老化，各部位基体组织中均未发现明显的蠕变孔洞；该连接管弯头内壁有较多凹坑，特别是弯头向弧侧，凹坑最大宽度约2240μm，深度约340μm，坑内有较厚垢层和氧化物；同时发现一条长约170μm裂纹，裂纹内充满氧化物，腐蚀后可见沿晶分布。

表6 金相检测结果

图4 部位①爆口处金相组织500×

图5 部位②金相组织500×

图6 部位③金相组织500×

图7 部位④金相组织500×（除d为1000×）

3.7 内壁垢层和外壁氧化膜测量

该爆管的内壁垢层和外壁氧化膜测试结果如表7所示。内壁垢层和外壁氧化膜厚度均在正常值范围内。

表7 内壁垢层和外壁氧化膜厚度测量结果

3.8 扫描电镜分析

通过对扫描电镜的结果观察可见：

(1）断口扫描电镜主要为韧窝形貌，同时断口上有氧化颗粒，如图8中(a)所示。可见为韧性断裂，与爆管宏观特征相符。

(2）部位④一侧横截面扫描电镜组织形貌特征如图8中(b)所示，上部基体形貌与金相分析结果一致。

(3）通过对部位④一侧内壁覆盖物垢层进行能谱扫描，如图8中(c)所示，结果表明：主要元素为C(30.11%）、O(27.96%）、Fe(41.72%）、S(0.02%）和Si(0.18%）元素。其中：O、S为腐蚀元素。

图8 扫描电镜结果

4、爆管原因分析

爆口的连接管弯头，其内部介质为饱和水、蒸汽，运行中没有发生超压情况，最大工作压力6MPa左右，对应的最高饱和温度为276℃左右，远低于20G管道适用的壁温上限（430℃），而且通过力学性能试验和金相检测的结果，均可排除过热爆管的可能。综合以上分析，爆管可能由以下原因造成：

(1）连接管弯头内壁存在纵向分布的类似裂纹的原始缺陷。

弯头原始裂纹的产生，一方面，是制管工艺不当并在制管过程中形成。该连接管弯头为20G冷拔管，冷拔工艺首先是带芯棒拔制，以达到减外径减壁厚的要求，并且每拔制一定量后必须进行消除曲应力退火，然后再无芯棒空拔来定径。如芯棒被拉毛、拉裂或粘钢时，拔管则会造成钢管内壁的损伤，如：划痕或者点状凹坑，在后续的拔管过程中会使这些划痕或者凹坑被拉长，并且更加贴合，以致形成此类线缺陷；另一方面，在拔管后，钢管会产生形变硬化造成内应力增大，如果钢管退火不及时、退火质量差或者一次拔制量过大，钢管则可能会产生纵向开裂的现象。

况且，钢管弯制时弯头处会产生较大应力，此外，在连接管安装时，如存在布置不合理、强制对口、坡口打磨不匀称、焊接顺序不正确、焊接环境温度过低而未进行预热或热处理等，也会造成弯头应力的增加，在弯头内表面原始缺陷处形成较大的应力集中。应力集中导致纵向缺陷的不断扩展，使钢管更易开裂，最终在外力作用下爆管。

(2）与连接管弯头发生胀粗及减薄有关。

由金相检测结果可知，弯头材质存在中度珠光体球化现象。弯头胀粗与材质劣化及长时间在低于屈服应力的载荷作用下运行有关，实质是蠕变引起的塑性变形。减薄除与胀粗有关外，还与内、外部腐蚀和汽水冲刷有关。胀粗和减薄使弯头强度降低、承受载荷的能力降低，最终导致运行过程中弯头外弧侧由于不能承受管内蒸汽压力而爆管。

(3）与连接管弯头内壁存在较多凹坑和沟槽有关。

由弯头内壁覆盖物垢层的能谱分析可知，存在一定量的O、S等腐蚀元素，这将加剧内壁的腐蚀。凹坑和沟槽的形成除与内壁腐蚀有关外，还与汽水冲蚀有关，同时与弯头加工时内壁起皱或机械损伤也有一定的关系。凹坑和沟槽处会造成承受载荷的截面积减小，使内应力增加并集中于此，极易引起缺陷的扩展。当厚度减薄到一定程度后，会直接造成弯头的开裂。

5、结论与建议

(1）弯头内壁存在类似裂纹原始缺陷是本次发生爆管的主要原因。因此在弯头，尤其是冷拔弯头，在入厂检验的表面质量检查中，内壁表面质量的检查是非常必要的。

(2）弯头凹坑、胀粗和减薄，使弯头实际承受载荷的截面积减小、内应力增加，当存在原始缺陷时，会造成应力集中，加速缺陷的扩展，使管道抵御风险的能力降低，这些应予特别重视。

(3）建议

①改善锅炉水质，以降低O、S等腐蚀元素含量。

②对上似部位的连接管弯头进行全面检验排查，必要时进行换管处理。

③爆管可能会造成炉膛内水冷屏管缺水过热，应仔细检查水冷屏管是否有局部鼓胀、伸长等明显变形，是否有壁厚减薄、破口等情况，必要时进行金相检验。

④应注意在用锅炉管道胀粗的监测。对于胀粗的管道，应增加壁厚测量、硬度检测、金相检测等和其他无损检测项目。

参考文献:

[1]GB/T5310-2017高压锅炉用无缝钢管[S].

[2]DL/438-2016火力发电厂金属技术监督规程[S].

[3]GB/T17394.4-2014金属材料里氏硬度试验第4部分:硬度值换算表[S].