基于實驗的工業(yè)鍋爐鍋筒鼓包事故失效分析

許曉穎 郭 琳 齊洪洋

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院茂名檢測院）

工業(yè)鍋爐廣泛應(yīng)用于食品、化工及造紙等各行業(yè)工廠的物料加熱工序中，在工業(yè)進步進程中起到了至關(guān)重要的作用。 但鍋爐內(nèi)工質(zhì)處于高溫、高壓狀態(tài)，且部分受壓元件與火焰直接接觸，是一類運行工況惡劣、危險性極高的承壓類特種設(shè)備，一旦發(fā)生事故，輕則停爐停產(chǎn)，重則引起爆炸，造成嚴(yán)重的后果［1～5］。 鍋筒鼓包是鍋爐常見的安全事故之一，經(jīng)常發(fā)生在水冷壁管或鍋筒的受火面上。

在正常運行情況下，鍋爐內(nèi)介質(zhì)是充分流動的，從而使各受壓部件得到冷卻，并不會發(fā)生塑性變形；但當(dāng)介質(zhì)流動不暢，受火面得不到有效冷卻時，金屬溫度過高，導(dǎo)致材質(zhì)劣化、強度降低，無法承受內(nèi)部介質(zhì)壓力，發(fā)生塑性變形，即產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象［6～10］。

1 案例描述

某企業(yè)工業(yè)鍋爐型號為DZL4-1.25-AⅡ，鍋筒設(shè)計最小需要壁厚15.47mm，實用壁厚16mm，材料為20G。在使用過程中發(fā)現(xiàn)鍋筒鼓包，鼓包位置位于鍋筒人孔正下方的鍋筒底部，基本為球狀凸起，變形范圍φ320mm，其峰高約25mm，宏觀特征如圖1 所示。 鍋筒內(nèi)表面附著層片狀水垢，并有脫落痕跡，鼓包部位堆積大量的白色片狀水垢，片狀水垢厚2～3mm，堆積高約75mm，底部為淤泥狀水垢。

圖1 鼓包部位示意圖

2 失效分析

發(fā)生塑性變形，是因為材料受力狀態(tài)遠超其彈性受力極限，當(dāng)外力消失后，不能恢復(fù)原狀，產(chǎn)生了永久性變形，如圖2 中ek段。

圖2 低碳鋼拉伸曲線

圖中，oe段為純彈性變形階段， 卸去載荷時，試樣能恢復(fù)原狀；e點開始發(fā)生塑性變形；s點出現(xiàn)屈服現(xiàn)象， 有明顯的塑性變形；sb段為強化階段，試樣產(chǎn)生均勻的塑性變形，并出現(xiàn)了強化；b點為最大載荷，試樣出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象；k點試樣被拉斷。

經(jīng)調(diào)查，安全閥可以正常起跳，即現(xiàn)場未發(fā)生鍋爐超壓現(xiàn)象，說明鼓包現(xiàn)象并非因受力過大引起，而是由于鍋筒材料強度降低導(dǎo)致的。 鍋筒材料強度降低一般是因為厚度減薄或材質(zhì)劣化。為了對上述鼓包進行深入研究，依次進行了壁厚分析、硬度測定、金相分析、水質(zhì)分析及運行情況調(diào)查等分析手段。

2.1 壁厚分析

為分析鼓包是否因壁厚減薄引起，將鼓包部位和附近未發(fā)生鼓包的部位打磨至露出金屬光澤，并對該部位進行超聲波壁厚測定，精度±0.1mm，測點位置分布如圖3 所示，測厚結(jié)果見表1。

圖3 測點位置分布

表1 鼓包部位及附件部位測厚值 mm

測厚結(jié)果表明，從鼓包外圍至鼓包的頂峰位置，均未發(fā)現(xiàn)明顯壁厚減薄。 因此可以判斷，鼓包變形不是由鍋筒腐蝕減薄引起的。

2.2 硬度測定

鼓包與壁厚無關(guān)，高溫材質(zhì)劣化亦有可能導(dǎo)致材料強度下降。 硬度與強度成正比關(guān)系，強度降低可以表現(xiàn)為硬度降低。 因此，可通過對硬度的測定，間接獲悉強度變化情況。 分別對鼓包部位和附近未發(fā)生鼓包部位進行硬度測定，測點分布位置如圖3 所示，結(jié)果見表2。

硬度測定結(jié)果表明， 鼓包部位明顯硬度偏低，鼓包中心部位硬度最低。 懷疑材質(zhì)劣化，須做進一步金相分析。

表2 鼓包部位及附件部位硬度值HB

2.3 金相分析

室溫下鋼的組織和性能一般是相當(dāng)穩(wěn)定的，但在高溫下，材料組織將發(fā)生變化。 這種變化會引起其性能的改變［11］。 其中，碳鋼的珠光體球化對鋼材高溫強度的影響是最明顯的。 當(dāng)材料在高溫工況下時，會發(fā)生珠光體球化，球化發(fā)展到一定程度后， 隨著運行時間延長逐漸產(chǎn)生蠕變損傷；二者相互影響，在高溫下，加速材質(zhì)劣化，產(chǎn)生微裂紋，在壓力作用下，導(dǎo)致破裂［12］。

對此鼓包部位進行金相分析， 分別取2#、6#、10#3 個測點進行截面金相分析對比試驗，取樣部位為各點的受火面、內(nèi)部金屬和介質(zhì)側(cè)表面。 其中，鼓包中心附近部位2#測點金相分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 2#測點金相分析結(jié)果

鍋筒材料為20G， 未產(chǎn)生材質(zhì)劣化的情況下，該材料由珠光體和鐵素體構(gòu)成［13］。 對鼓包的不同部位進行金相分析，結(jié)果表明：受火面外表面金屬珠光體已完全球化，球化等級達到5級［14］；內(nèi)部金屬和介質(zhì)側(cè)金相組織仍為珠光體加鐵素體。 經(jīng)進一步對鍋筒金屬截面進行金相分析發(fā)現(xiàn)， 珠光體完全球化深度平均值為2.0mm，受火面深度為0.0～3.0mm 范圍內(nèi)存在不同程度的珠光體球化。

金相分析表明， 鍋筒外表面材料明顯超溫，同時存在珠光體球化和蠕變損傷。 鍋筒超溫主要由于介質(zhì)流動性差、熱循環(huán)受阻導(dǎo)致，即水垢堆積，熱循環(huán)受阻。

2.4 水質(zhì)分析

水垢是造成水循環(huán)不暢、鍋筒超溫并發(fā)生材質(zhì)劣化的主要原因。 為了查明水垢來源，對鍋爐水質(zhì)進行了詳細分析，包括原水、給水和爐水，結(jié)果如下：該鍋爐采用水井水源，即地表淺水，水質(zhì)硬度大、泥沙多，經(jīng)水處理設(shè)備后供給鍋爐。 抽取水樣進行化驗，鍋爐給水硬度是1.5mmol/L，遠高于GB/T 1576—2008 《工 業(yè) 鍋 爐 水 質(zhì)》［15］規(guī) 定（0.03mmol/L）。經(jīng)核查水處理設(shè)備，發(fā)現(xiàn)水處理鈉離子交換用樹脂已經(jīng)失效，不符合水處理設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18300—2011《自動控制鈉離子交換器技術(shù)條件》［16］的要求。

2.5 運行情況調(diào)查

針對鍋爐和水處理設(shè)備的運行情況做了詳細調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鍋爐在運行期間，水處理設(shè)備未正常投入使用，導(dǎo)致水質(zhì)硬度超過國家標(biāo)準(zhǔn)要求；檢查往期檢驗資料，在半年前鍋爐內(nèi)部檢驗工作中，由于打開人孔蓋的操作，將部分水垢振動脫落，使人孔底部有積垢，后期并未將堆積的水垢清除干凈， 導(dǎo)致該處水垢不能及時排出，反而阻擋正常排污，最終導(dǎo)致水垢堆積；對司爐人員的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，未能按照規(guī)定對鍋爐進行維護保養(yǎng)，未做到定期對鍋爐水質(zhì)進行檢驗，對于水垢做過煮爐處理，但是未按操作規(guī)程進行排污。

3 結(jié)果分析

經(jīng)過上述分析和調(diào)查，此案例中發(fā)現(xiàn)多處異常：

a. 水質(zhì)問題，由于鍋爐給水未經(jīng)處理合格即補給鍋爐，爐水硬度超標(biāo)，在高溫下，鍋筒內(nèi)壁上產(chǎn)生大量水垢；

b. 水垢堆積， 在鍋爐產(chǎn)生蒸汽的過程中，形成大量水垢，水垢附著在鍋筒和管子上，達到一定厚度（2～3mm），由于水垢的熱膨脹系數(shù)與鍋筒材料不同或振動（如拆除人孔操作）等原因，脫落至鍋筒底部，在原本就有積垢、介質(zhì)排污流速較低部位形成水垢集中堆積的現(xiàn)象；

c. 材質(zhì)劣化，水垢的導(dǎo)熱性差，其熱阻是鍋筒材料熱阻的40～100 倍，因此，堆積的水垢嚴(yán)重阻礙了鍋筒局部正常傳熱，鍋筒外壁所受熱量不能及時從受熱面?zhèn)鬟f到鍋筒內(nèi)部介質(zhì)，導(dǎo)致鍋筒金屬局部溫度過高，材質(zhì)劣化，強度降低，承壓能力不足；

d. 鍋爐管理問題，司爐人員未能按照規(guī)定對鍋爐進行維護保養(yǎng)，未做到定期對鍋爐水質(zhì)進行檢驗。

綜合以上現(xiàn)象，總結(jié)出此次鍋筒鼓包事故的形成過程：水質(zhì)不達標(biāo)→產(chǎn)生嚴(yán)重水垢→水垢局部堆積，且未及時清除→熱循環(huán)不暢，鍋筒外壁局部溫度過高→材質(zhì)劣化，強度不足→內(nèi)壓高于強度允許值→發(fā)生鼓包。

4 維護保養(yǎng)建議

任何安全事故都不是單一因素引起，而是多方面安全隱患疊加的結(jié)果。 在此案例中，可以看到整個事故形成過程有多個步驟，任何一個步驟都可以單獨出現(xiàn)在鍋爐運行中，都會最終導(dǎo)致這一事故發(fā)生。 假如任何一個步驟得到有效控制，都可以延緩甚至阻止鼓包的發(fā)生。 嚴(yán)格控制人員管理、設(shè)備管理以及設(shè)備和人員工作狀態(tài)管理等因素，可以有效減少安全事故的發(fā)生。 為防止類似鍋爐鼓包事故再次發(fā)生，提出以下建議：

a. 建立健全相關(guān)人員管理制度，配備水處理化驗員，做好水質(zhì)化驗工作，加強水質(zhì)技術(shù)管理，使鍋爐水質(zhì)符合GB/T 1576—2008 《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》的規(guī)定；

b. 配合生產(chǎn)， 定期對鍋爐進行停產(chǎn)開蓋自檢，如有水垢超標(biāo)現(xiàn)象，應(yīng)及時對鍋爐水側(cè)進行化學(xué)清洗，并按規(guī)定清除水垢；

c. 應(yīng)對鍋爐司爐人員進行專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)和責(zé)任心培養(yǎng)，按照相關(guān)規(guī)章制度及鍋爐使用說明書做好鍋爐運行、維護和保養(yǎng)工作，并做工作記錄，確保鍋爐安全運行。

5 結(jié)束語

針對此次鍋筒鼓包失效案例闡述了鼓包失效分析過程，得出了鼓包失效的原因，提出了維護保養(yǎng)建議。 隨著社會工業(yè)化程度的發(fā)展，工業(yè)鍋爐的數(shù)量會越來越多， 事故案例也會越來越多，本案例中的事故分析過程、結(jié)論和維護保養(yǎng)建議具有廣泛的借鑒意義。