CO 鍋爐對流管束泄漏分析

任廣璇，田雙明，蘆 千

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

0 引言

某車間3#CO 鍋爐，型號WGZ65/3.82-6，額定發(fā)汽量65 t/h，壓力3.82 MPa，生產(chǎn)建設(shè)廠家為武漢鍋爐廠。鍋爐為雙鍋筒布置，對流管束位于上下鍋筒之間，由Φ51×3.5 mm 的鋼管組成，材料為GB 3087—1982，20g 低中壓鍋爐用無縫鋼管，連接方式為脹接。1996 年投入運(yùn)行，累計運(yùn)行時間10 393 h，上次維修時間是2016 年8 月6 日，Φ38×3.5 mm 低溫過熱器爐管泄漏。2022 年2 月班組巡檢發(fā)現(xiàn)鍋爐下汽包左東北側(cè)漏水汽，判斷有對流管束泄漏。

1 對流管束泄漏情況

停爐后排查泄漏情況，最終確定泄漏管束為下汽包最外側(cè)兩根對流管，東側(cè)泄漏點(diǎn)為臨近鋼梁焊接處（圖1），西側(cè)漏點(diǎn)為臨近密封焊接處（圖2），泄漏位置均可見明顯裂紋。兩處泄漏均為最外側(cè)對流管，基本呈對稱分布。

圖1 對流管束東側(cè)泄漏點(diǎn)

圖2 對流管束西側(cè)泄漏點(diǎn)

下汽包對流管束工作條件為：管內(nèi)介質(zhì)為除氧水（加藥磷酸三鈉控制：磷酸根5～15 mg/L，pH 值9～11）；溫度為270 ℃；壓力為3.8 MPa；管束材料為20 號鋼；管束規(guī)格為Φ51×3.5 mm。管束外為煙氣環(huán)境，溫度為420 ℃左右。

2 管束檢測分析

2.1 管束宏觀和低倍形貌分析

（1）為分析泄漏原因，委托第三方對管束進(jìn)行理化檢測，從3#鍋爐汽包對流管束上的不同部位切取了3 個管段，分別在下汽包的西側(cè)、下汽包的東側(cè)和上汽包的東側(cè)。為了便于后續(xù)檢驗(yàn)分析，將這3 個管段編為1#管、2#管、3#管（圖3）。

圖3 對流管束管段編號

（2）1#管：將1#管上的局部區(qū)域沿著彎管外、內(nèi)弧的分界線切分為兩個半管，如圖4、圖5 所示，管外弧側(cè)的內(nèi)壁上有很長的裂紋，裂紋出現(xiàn)的位置與該管外弧側(cè)的外壁上焊接的連接板位置相吻合；管內(nèi)弧側(cè)的內(nèi)壁上則未見裂紋；管的整個內(nèi)壁上都布滿了棕紅色的銹蝕，且有一定程度的局部剝落。

圖4 1#管內(nèi)外壁宏觀形貌1

圖5 1#管內(nèi)外壁低倍形貌2

（3）2#管：將2#管的局部區(qū)域沿著彎管外、內(nèi)弧的分界線切分為兩個半管；如圖6、圖7 所示，管的外弧側(cè)內(nèi)壁也出現(xiàn)了較小的裂紋，裂紋的位置也是在該管外弧側(cè)的外壁上焊接的連接板處；管內(nèi)弧側(cè)的內(nèi)壁上未見裂紋，但有一條棕黃色的銹斑存在；管內(nèi)壁布滿了棕紅色的銹蝕，且局部有一定程度的剝落。

圖7 2#管內(nèi)外壁低倍形貌2

（4）3#管：將3#管沿著彎管外、內(nèi)弧的分界線切分為兩個半管，該管的內(nèi)壁未見裂紋，也布滿棕紅色的銹蝕，且有一定程度的局部剝落（圖8、圖9）。

圖8 3#管內(nèi)外壁低倍形貌1

圖9 3#管內(nèi)外壁低倍形貌2

（5）1#管外弧側(cè)內(nèi)壁裂紋斷口形貌如圖10 所示，裂紋起源于管外弧側(cè)的內(nèi)壁，由內(nèi)向外擴(kuò)展；斷口上有多個裂紋源，并有貝紋狀的疲勞弧線；斷口呈灰黑色、布滿氧化腐蝕產(chǎn)物；因此，整個管外弧側(cè)內(nèi)壁的裂紋（斷口）具有熱疲勞斷裂的特征。

圖10 1#管外弧側(cè)內(nèi)壁裂紋形貌

（6）1#管（包括2#管）內(nèi)壁裂紋出現(xiàn)在管子的外弧側(cè)、又在管外弧側(cè)連接板的焊接部位，由此推斷，對流管束（彎管）裂紋的產(chǎn)生與該部位管子的形狀、管子外弧側(cè)外壁焊接的連接板等因素有一定的關(guān)系。

2.2 管束的材料分析

分別從3 個管段上切取塊狀樣品，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果表明，3 個管段的材料成分均符合20 號鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求（表1）。

表1 管束材料的化學(xué)成分 wt%

2.3 管束的金相分析

同時對1#～3#管進(jìn)行金相分析，確認(rèn)3 個管出現(xiàn)裂紋（蝕坑）的位置相同，都是在管子的內(nèi)壁（管束與連接板的未焊接側(cè)），差異只是裂紋（蝕坑）的深度不同，但裂紋（蝕坑）的性質(zhì)應(yīng)該是一樣的。1#管內(nèi)壁上裂紋（蝕坑）已經(jīng)穿透管壁，造成汽包對流管束的泄漏（補(bǔ)焊堵漏）；而2#管、3#管內(nèi)壁上的裂紋（蝕坑）還相對較淺，尚未對管束造成泄漏破壞。

2.4 管束的電鏡分析

使用掃描電鏡，對1#管斷口及管壁裂紋（蝕坑）等進(jìn)行形貌（圖11）觀察和元素成分能譜分析（圖12）。低倍下可見斷口上有圓形弧狀形貌，具有疲勞斷裂的特征；但在高倍下則只能看到斷口上布滿氧化腐蝕產(chǎn)物。能譜分析表明，斷口的氧化腐蝕產(chǎn)物主要由O、Fe 元素構(gòu)成，為鐵的氧化物。

圖11 1#管斷口及管壁裂紋形貌

圖12 元素成分能譜分析

3 綜合分析

通過對3 根汽包對流管束進(jìn)行了多項(xiàng)理化檢驗(yàn)分析，認(rèn)為造成對流管束開裂泄漏的主要因素是介質(zhì)腐蝕、交變載荷、焊接應(yīng)力等。

（1）介質(zhì)腐蝕。在3 根管子的內(nèi)壁布滿了棕紅色的腐蝕產(chǎn)物（鐵的氧化物），尤其是在管子內(nèi)壁的裂紋（蝕坑）中，腐蝕產(chǎn)物更多些。這些裂紋（蝕坑）既造成了管子內(nèi)壁的局部應(yīng)力集中而成為疲勞裂紋源，又會因裂紋擴(kuò)展（蝕加深）導(dǎo)致管壁的減薄直至開裂，引發(fā)管內(nèi)介質(zhì)的泄漏。

（2）交變載荷。鍋爐運(yùn)行期間，因鍋爐汽包及管束內(nèi)介質(zhì)的溫度、壓力等的變化，會形成不同程度的交變載荷（振動）。交變載荷的存在，易造成管束局部應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋。

（3）焊接應(yīng)力。3 根管束的裂紋（蝕坑）都出現(xiàn)在管束內(nèi)壁（焊接處附近），且不在管束與連接板的焊接側(cè)，對流管束與連接板的焊接是單面焊，又在對流管束彎管的外弧側(cè)，說明管束內(nèi)壁裂紋的發(fā)生和發(fā)展與管束形狀、焊縫位置、焊接方式等有著重要的關(guān)系。

綜合上述三方面因素的作用，使得3#鍋爐汽包對流管束彎管外弧側(cè)內(nèi)壁在鍋爐運(yùn)行過程中產(chǎn)生腐蝕疲勞裂紋，并不斷地擴(kuò)展，直至最后造成管束管壁的減薄和開裂而發(fā)生介質(zhì)泄漏。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

（1）3 根汽包對流管束的材料均為20 號鋼，材質(zhì)吻合。

（2）3 根汽包對流管束的金相組織為鐵素體+珠光體。

（3）3 根汽包對流管束內(nèi)壁的裂紋（蝕坑）為腐蝕疲勞開裂。

（4）對流管內(nèi)介質(zhì)的氧腐蝕、鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的交變載荷（振動對流管束與連接板的焊接位置和焊接方式而產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中，是造成對流管束產(chǎn)生腐蝕疲勞裂紋的主要因素。

4.2 建議

（1）日常加強(qiáng)鍋爐水質(zhì)的監(jiān)測，做好鍋爐水的除氧，盡量減少由水垢、氧腐蝕和給水中化學(xué)殘留物對鍋爐本體受壓元件造成的各類腐蝕。

（2）合理控制每臺鍋爐流量，減少不必要負(fù)荷調(diào)節(jié)工作，保證鍋爐壓力溫度平穩(wěn)，使鍋爐安全運(yùn)行。

（3）對于鍋爐各個部位的焊接處，如頂棚過熱器管與鰭片的焊接、對流管束彎管與連接板的焊接等采取合理的焊接方式，減少因焊接造成相應(yīng)管束的局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞裂紋。如采用氬弧焊代替手工電弧焊，減少焊接的熱輸出；采用間斷焊接或跳焊代替連續(xù)焊接，避免連續(xù)焊接產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。