某石化公司燃煤锅炉过热器管爆裂原因分析

冉朋超

摘 要：某石化公司燃煤锅炉的过热管发生爆裂，本文采用宏观观察、材质分析及金相检验等方法，对爆管的原因进行了检测分析，结果表明，爆管的主要原因是由于过热管长期再高温高压下运行，导致管壁组织中珠光体的球化，进而炉管强度下降发生爆管。建议严格控制锅炉运行温度和压力以及加强对关键部位炉管的检验监督，及时地发现隐患，以防止过热器管爆裂事故的再次发生。

关键词：燃煤锅炉;过热管;爆管;珠光体球化

1 背景

某石化公司35t燃煤锅炉（3#锅炉）的两根过热器管发生了爆裂，过热器管材质为20G钢，炉管规格为Φ38×3.5mm;管内介质为中压蒸汽，温度/操作压力为435℃/3.5～3.6MPa，炉内火焰温度600～700℃。为了对爆管原因进行分析，特进行了一系列的检测工作。

2 检测分析

2.1 宏观观察

①选取的过热器管爆口最长处约100mm，爆口中间最宽度大约55mm;

②爆口处管壁明显地胀粗，爆口边缘较薄，爆口呈“鱼嘴状”;

③爆口附近管子外壁附着很厚的棕色氧化皮，氧化皮上有大量的纵向裂纹，呈现“老树皮状”，见图2-1。

④在距离爆口大约200mm处横向切管，该处炉管外径接近50mm，超声测厚检测发现发生蠕胀的管段剩余壁厚仅为1.5mm，有明显减薄。管子内、外壁有氧化皮附着，外壁氧化皮很厚达到2mm以上，内壁氧化皮也有0.5mm左右。

2.2 金相检验

将过热器管爆口处横向切开，取横向截面金相样品，经预磨、抛光、4%硝酸酒精溶液腐刻后，在显微镜下观察分析。并依照相关标准，对过热器管的管壁组织进行球化评级。

在过热器管爆口边缘处，管壁金相组织为：

①铁素体+碳化物（球状）;

②珠光体球化5级;

③管壁塑变，晶粒被拉长，晶界聚集着碳化物颗粒、并有蠕变孔洞及裂纹存在;

④爆口处管子内外壁均有很厚的氧化皮存在，见图2-2。

2.3 材质分析

分别从爆裂的过热器管（第8根）和完好过热器管上取块状样品，依据相关标准，使用光谱仪等，对其材质进行化学分析。结果表明，过热器管材质化学成分符合GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》中20G钢的标准要求，见表2-1。

3 分析与讨论

一般来说，20号钢主要用于管壁温度不超过450℃的锅炉受热面管（水冷壁管、过热器管等）、蒸汽管道和集箱。

20号钢在高温长期使用过程中，其组织中的珠光体会发生球化现象，即珠光体中的渗碳体（碳化物）形态由最初的层片状逐渐转变成球状，材料的力学性能也随之下降。因此，长期以来20号钢组织中的珠光体球化程度常被广泛地用作使用可靠性的评定判据之一。

20号钢珠光体球化组织为5级，即1级为未球化（原始态）;2级为倾向性球化;3级为轻度球化;4级为中度球化;5级为完全球化。

发生爆口的过热器管的金相组织已经达到珠光体球化5级，表明该管性能已经严重劣化。加上過热器管的内、外壁有很厚的氧化皮。

氧化皮的产生和发展，一方面减薄了炉管的管壁厚度，造成管子强度的降低;另一方面由于氧化皮的导热系数远远地小于钢管的导热系数（氧化皮导热系数0.41868kJ/（m2·h·℃），钢管导热系数209.34 kJ/（m2·h·℃）），造成炉管进一步地过热，管子强度的进一步地降低;过热又会加剧炉管的氧化，由此不断的恶性循环，直至发生爆管。

参照有关标准，当碳钢管外径蠕变变形大于3.5%或高温过热器管外表面氧化皮厚度超过0.6mm或管子外表面有宏观裂纹或管壁减薄量大于壁厚的30%，当发现上述情况之一时，就应对炉管进行及时地更换。可见，该锅炉的两根爆口过热蒸汽管，即使未发生爆裂，也是属于报废更换之列。

另外的用于对比的过热器管，管径没有明显地胀粗变形、内外管壁也未见超标的氧化皮存在、珠光体球化仅为2级，没有明显地过热现象，故仍可继续安全地运行使用。

4 结论及建议

发生爆口的过热器管的失效性质为长期过热爆管。在高温高压环境下长期运行，因局部过热（高温烟气不均、炉管布局差别、管内传热不畅等），造成过热器管（爆口处及附近）的管壁组织中珠光体的球化，导致炉管强度下降;同时，过热又造成炉管内外壁氧化严重，氧化皮的不断发展，即减薄了炉管壁厚，降低其强度;又降低了炉管的传热能力，导致炉管的进一步地过热;进一步地过热会更加促进炉管组织珠光体球化程度的加剧，又加速炉管内外壁氧化皮的增厚及管壁厚度的减薄，炉管强度的更加降低。如此恶性循环下来，最终造成过热器管的爆管失效。

发生爆裂的过热器管必须更换。对于爆口附近或相邻部位的过热器管，也要认真地检查，发现氧化严重、明显胀粗、表面开裂的炉管及时地更换;对怀疑球化严重的炉管应进行抽检，对于球化严重的也应该考虑进行更换。

严格控制锅炉运行温度和压力以及加强对关键部位炉管的检验监督，及时地发现隐患，以防止过热器管爆裂事故的再次发生。