秦 成 海南省鍋爐壓力容器與特種設(shè)備檢驗(yàn)所

馬小明 呂 浩 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院

煤氣發(fā)生爐水夾套鼓包失效分析

秦 成 海南省鍋爐壓力容器與特種設(shè)備檢驗(yàn)所

馬小明 呂 浩 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院

針對(duì)某陶瓷廠煤氣發(fā)生爐水夾套發(fā)生的鼓包事故，分別從宏觀、微觀形貌、化學(xué)成份、金相及相應(yīng)的力學(xué)性能等方面進(jìn)行系統(tǒng)的失效分析。結(jié)果表明：水夾套進(jìn)水管堵塞，冷卻功能喪失，導(dǎo)致水夾套內(nèi)壁過熱，蒸汽壓力迅速增加，在壓力和熱應(yīng)力作用下，發(fā)生鼓包失效。最后根據(jù)失效原因，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

煤氣發(fā)生爐 水夾套 鼓包 失效分析

某陶瓷廠在煤氣發(fā)生爐檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)水夾套內(nèi)壁存在的鼓包，嚴(yán)重影響了整個(gè)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)。水夾套內(nèi)筒直徑為3200mm，內(nèi)筒壁厚為20mm，夾套壁厚為14mm，水夾套高為2500mm。水夾套中介質(zhì)為軟化水、蒸汽，設(shè)計(jì)壓力為0.3MPa，工作壓力為0.25MPa；水夾套內(nèi)筒介質(zhì)為爐煤氣、煤，設(shè)計(jì)壓力為0.024MPa，工作壓力為0.02MPa，材料為20g，工作溫度小于140℃。煤氣發(fā)生爐爐內(nèi)根據(jù)功能不同劃分五層[1]，每層工作溫度不同；氧化層溫度在1200℃左右，還原層溫度在800～1100℃，干餾層溫度在150～700℃，干燥層溫度在室溫至150℃之間，煤氣發(fā)生爐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 煤氣發(fā)生爐機(jī)構(gòu)示意圖

1 宏觀分析

鼓包產(chǎn)生在水夾套的氧化還原層，位于水夾套2/3高度至頂部處，其宏觀圖如圖2所示。宏觀圖顯示水夾套內(nèi)筒出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形，形成凸向爐內(nèi)的鼓包，爐側(cè)內(nèi)壁積燃燒殘留的煤焦，冷卻水側(cè)內(nèi)壁積水垢厚約2mm；水夾套的進(jìn)水管管口水垢堵塞，管子內(nèi)壁積水垢厚約5mm，如圖3所示。

觀察結(jié)果表明，水夾套使用的冷卻水未經(jīng)軟化處理，導(dǎo)致進(jìn)水管結(jié)垢堵塞，阻礙了水夾套冷卻水的正常循環(huán)，使水夾套處于缺水的狀態(tài)，在高溫的工作環(huán)境下產(chǎn)生大量的水蒸汽，夾套內(nèi)蒸汽壓力增加；水夾套內(nèi)筒水側(cè)形成較厚水垢，降低了內(nèi)壁的傳熱效率，且循環(huán)水的不足，強(qiáng)度降低使得水夾套內(nèi)壁長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)形成鼓包。

圖2 水夾套爐側(cè)內(nèi)壁

2 材質(zhì)及性能分析

2.1 化學(xué)成分分析

將水夾套內(nèi)筒鼓包部位爐側(cè)和冷卻水側(cè)的材料及其表面污垢進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1、表2。結(jié)果表明，對(duì)于水夾套內(nèi)筒基體來(lái)說，內(nèi)壁氧化嚴(yán)重；水夾套內(nèi)壁冷卻水側(cè)出現(xiàn)很多雜質(zhì)元素，如Mg、Ca等，P、S含量嚴(yán)重超標(biāo)；水夾套內(nèi)壁爐側(cè)存在Ca、Na等雜質(zhì)元素，C、Si、S含量嚴(yán)重超標(biāo)。S易形成酸，對(duì)內(nèi)壁具有腐蝕作用，在基體中含量的增加可以大大降低材質(zhì)的力學(xué)性能；C的相對(duì)原子半徑比較小，易擴(kuò)散聚集形成碳化物相，降低材料的韌性。

表1 冷卻水側(cè)化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 爐側(cè)化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 金相檢驗(yàn)

對(duì)水夾套內(nèi)壁爐側(cè)、冷卻水側(cè)以及從爐側(cè)向冷卻水側(cè)過渡區(qū)橫截面的金相檢驗(yàn)可知[2]，水夾套內(nèi)壁以白色的鐵素體為基體，在爐側(cè)沿鐵素體晶界析出大量的滲碳體，滲碳體的聚集將增大材料的硬度，降低材料的韌性；過渡區(qū)橫向截面呈現(xiàn)嚴(yán)重的帶狀分布；冷卻水側(cè)材質(zhì)上出現(xiàn)微量的滲碳體和微裂紋。

2.3 硬度檢驗(yàn)

對(duì)水夾套內(nèi)壁爐側(cè)、冷卻水側(cè)和過渡區(qū)材料進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)得爐側(cè)平均硬度值為122.7HV，冷卻水側(cè)平均硬度值為116.3HV，過渡區(qū)平均硬度值為117.2HV，也就是說水夾套內(nèi)壁的硬度值是從爐側(cè)到冷卻水側(cè)逐漸降低，20g材料的硬度值要求為不大于230HV，顯然，水夾套內(nèi)壁材料滿足硬度要求。

2.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)水夾套內(nèi)筒材料取樣進(jìn)行拉伸、沖擊試驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表3表明，水夾套內(nèi)筒的塑性指標(biāo)和韌性指標(biāo)都達(dá)到要求，實(shí)際屈服極限低于標(biāo)準(zhǔn)值，抗拉強(qiáng)度剛剛達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)值。

3 夾套失穩(wěn)分析

該水夾套內(nèi)通軟化水，設(shè)計(jì)壓力為0.3MPa，內(nèi)壁材料為20g，工作壓力為0.25MPa；水的飽和蒸汽壓力隨著溫度的升高而增大，表4為水在不同溫度下的飽和蒸汽壓力[3]。

表4 水在不同溫度下的飽和蒸汽壓力

水夾套內(nèi)筒呈現(xiàn)的失穩(wěn)波數(shù)大于兩個(gè)，故此水夾套內(nèi)筒體為短圓筒，根據(jù)短圓筒最小臨界壓力近似計(jì)算公式：

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得：Pcr=2.01MPa

表4表明，水的飽和蒸汽壓力不僅隨溫度的增加而增加，而且溫度越高，水的飽和蒸汽壓力增長(zhǎng)的速度越快。當(dāng)水夾套內(nèi)溫度處于134℃以上時(shí)，夾套內(nèi)的飽和蒸汽壓力就會(huì)達(dá)到0.302MPa以上，超過其設(shè)計(jì)壓力0.3MPa；當(dāng)水夾套內(nèi)溫度達(dá)到213℃以上時(shí)，水夾套內(nèi)的飽和蒸汽壓力就會(huì)達(dá)到2.02MPa以上，超過短圓筒所能承受的最小臨界壓力值，發(fā)生失穩(wěn)。

4 ANSYS模擬計(jì)算

煤氣發(fā)生爐的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，由于水夾套內(nèi)筒關(guān)于軸對(duì)稱，根據(jù)水夾套的實(shí)際尺寸選取內(nèi)筒的1/4建立幾何模型；由于水夾套內(nèi)筒為薄壁殼，選擇SHELL63殼單元為單元類型；第2部分試驗(yàn)測(cè)得水夾套內(nèi)壁屈服強(qiáng)度為225MPa，將225MPa設(shè)為水夾套大變形臨界值；查表得20g在200℃時(shí)彈性模量為1.97×105MPa，泊松比為0.3；對(duì)模型上下兩端分別和端蓋焊接的邊界施加全約束，對(duì)模型左右的1/4邊界施加對(duì)稱約束，對(duì)模型外側(cè)面施加213℃時(shí)的飽和蒸汽壓力2.02MPa進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 總位移等值線圖

圖5 等效應(yīng)力等值線圖

模擬結(jié)果顯示，在2.02MPa壓力作用下，水夾套內(nèi)筒的最大位移為38.36mm，發(fā)生在水夾套1/2高度處；水夾套內(nèi)筒應(yīng)力集中處最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料的屈服極限，發(fā)生在夾套內(nèi)壁頂部和底部焊接處。

綜上表明，水夾套內(nèi)壁在213℃的飽和蒸汽壓力下會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。

5 失效原因綜合分析

從水夾套材料力學(xué)性能分析，在工作環(huán)境與工作介質(zhì)的影響下，材料的性能有所降低，主要表現(xiàn)為材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不滿足要求，但并沒有找到材料本身的缺陷，材料的塑性和韌性都滿足要求。

從工況上分析，由于冷卻水未進(jìn)行軟化處理，造成水夾套內(nèi)筒冷卻水側(cè)形成厚約2mm的水垢，降低了傳熱效率，壁溫升高，強(qiáng)度下降，促進(jìn)了水夾套鼓包的發(fā)生；進(jìn)水管管口被堵塞，經(jīng)進(jìn)一步清理堵塞的進(jìn)水管管口水垢檢查，發(fā)現(xiàn)該安放式接管管口只在中間開一小孔，小于管子內(nèi)徑，進(jìn)水管堵塞后進(jìn)水截面面積大大減少，這直接導(dǎo)致了水夾套內(nèi)水量不足，冷卻效果減弱，最終造成水夾套內(nèi)壁發(fā)生鼓包事故。

從力學(xué)角度考慮，隨著水夾套內(nèi)的水量不斷減少，溫度不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到134℃時(shí)，水夾套內(nèi)飽和蒸汽壓力超過其設(shè)計(jì)壓力；當(dāng)溫度達(dá)到213℃時(shí)，水夾套內(nèi)飽和蒸汽壓力超過其能承受的最小臨界壓力，發(fā)生失穩(wěn)。

6 建議

針對(duì)失效原因，提出以下建議：

1）安裝過程嚴(yán)格按照工藝施工，并進(jìn)行安裝質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)；

2）完善自動(dòng)進(jìn)水及水位報(bào)警功能，并定期沖洗水位計(jì)確保水位準(zhǔn)確顯示；

3）增加汽水系統(tǒng)的超壓泄放量計(jì)算及超壓報(bào)警功能的設(shè)置；

4）水夾套水質(zhì)按照《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》要求，并對(duì)水質(zhì)進(jìn)行定期檢測(cè)；

5）定期清洗、清理水夾套垢渣[5]，確保水夾套傳熱效率；

1 張偉洪.煤氣發(fā)生爐的全面檢驗(yàn)及鼓包事故分析.石油和化工設(shè)備,2011,14(8):47－49

2 任頌贊,張靜江,陳質(zhì)如等.鋼鐵金相圖譜.上海,上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社(第1版),2003:296

3 孫雷,仇性啟,張兵等.煤氣發(fā)生爐水夾套強(qiáng)度計(jì)算.石油化工設(shè)備,2008,37(1):37－44

4 孫雷,仇性啟,張兵等.煤氣發(fā)生爐溫度差分析計(jì)算.工業(yè)加熱,2007,36(5):22－23

5 李中環(huán).煤氣發(fā)生爐水夾套和汽包的酸洗與防垢.實(shí)用技術(shù),2008,24(1):11－12

For a factory gas furnace water jacket bulge accident, the system failure analysis were conducted from the macro and micro morphology, chemical composition, material metallographic and corresponding mechanical properties. The results showed that the water jacket inlet was blocked, which makes the cooling malfunction. So the water jacket was overheated, and with the jacket lack of water, the vapor pressure increases. The water jacket was unstable under the effect of the vapor pressure. Finally, based on the cause of failure, the paper put forward the appropriate preventive measures.

Gas furnace Water jacket Bulge Failure analysis

2013－11－05）