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300 MW机组锅炉水冷壁钢管鼓包的原因分析
发布时间：2013-09-16 08:13 来源：未知
1、前言
某电厂l号机组300 MW燃煤锅炉子2003年12月投入运行，到2006年2月大修时，锅炉累计运行了100 80 h。在大修时发现：向火面的水冷壁钢管上多处有鼓包现象，据不完全统计，垂直段和斜坡上分别有138根和109根出现此现象，且炉后墙钢管鼓包数量比前墙多。水冷壁钢管的材料牌号为20 G，即包括光管(规格为∮45×6mm)，也包括内螺纹管(规格为∮45×5.4mm)。在鼓包的水冷壁钢管中先后截取2根作
为分析的样品，1只鼓包不明显，编号为1号，1只鼓包明显，编号为2号。分别对2只钢管进行了宏观形貌观察、几何尺寸测量、力学性能测试和微观组织分析，并对产生鼓包的原因进行了分析和讨论。
2、试验过程与结果
2.1鼓包管子的宏观分析
对取回的2只钢管进行宏观形貌观察和尺
寸测量。分析发现：钢管外表面呈棕红色，与未鼓包处相比，1号钢管鼓包处外径增大了0.7mm，2号钢管鼓包处外径增大了1.4 mm。鼓包处钢管壁厚的最大减薄量0.3 mm。l号和2号钢管鼓包处的宏观形貌分别如图1和图2所示。
2.2鼓包钢管的化学成分分析
分别从2只钢管上取样用德国OBLF公司生产的QSN750型直读光谱仪测试了钢管的化学成分，测试结果如表1所示。从表中的数据来看，2只水冷壁钢管的化学成分均符合GB 5310-95标准的规定。
2.3力学性能
分别在2只钢管上取样进行了力学性能测试，测试结果见表2。测试结果表明，2只钢管的各项力学性能均符合GB 5310 - 95标准的规定，且1号钢管鼓包处与未鼓包处的硬度并无明显差异。
2.4金相组织分析
分别在1号、2号钢管鼓包处取样进行金相分析。分析过程中发现：2只钢管的内壁均有脱碳现象，全脱碳层最大深度为0.15 mm，外壁脱碳不明显。在1号钢管的内壁发现了轧制产生的直道，直道的最大深度为0.12 mm，直道底部比较圆钝，且无自直道底部萌生裂纹或产生鼓包的迹象。脱碳层和直道深度符合GB 5310 - 95标准的规定。1号钢管内壁脱碳层和直道底部及其附近区域的金相组织形貌见图3所示。2号钢管所取金相试样上没有发现轧制直道。富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧颗�；⒛拘伎帕；怪频纳镏士帕Ｈ剂�，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
观察1号试样在鼓包最严重区域、未鼓包区域、二者交界处以及2号试样鼓包最严重区域的显微组织形态。观察发现：在1号试样鼓包和未鼓包交界处的截面上，外壁侧（1.5 mm厚）组织形态与鼓包最严重区域以及未鼓包区域的组织形态相同，见图4(a)。内壁侧（约1.3 mm厚）的金相组织为铁素体十沿晶界分布的小尺寸珠光体和铁索体，晶粒度为6～7级，内壁组织形态详见图4(b)。管壁中间部分的（约2.5 mm厚）晶粒尺寸小于外壁和内壁，晶粒度细于8级，组织形态正常，为铁素体十珠光体，组织特征见图4(c)。1号和2号钢管鼓包最严重区域与1号钢管未鼓包区域的金相组织相同，组织为铁素体十珠光体，组织形态正常，晶粒度为7～8级，典型的组织形貌见图5。夹杂物等级为AO.5、BO.5、CO．5、Dl．O级，微观组织符合GB 5310 - 95标准的规定。
3、分析与讨论
3.1材质与鼓包的关系
分析与测试结果表明，水冷壁钢管的化学成分、力学性能、夹杂物等级、脱碳层深度、内壁的轧制直道的深度、金相组织形态和晶粒度均符合GB 5310-95的标准规定，钢管鼓包与材质无关。
3.2鼓包的原因分析
水冷壁钢管鼓包意味着此处产生了塑性变形。即在运行工况下金属管壁所承受的应力水平超过了它的屈服强度。鼓包的程度取决于当时运行工况下应力、温度和时间3者共同作用的结果。
3.2.1应力因素
在正常工况下，工质作用在管壁上的最大压力为19.8 kN，这个压力所形成的应力小于20 G钢管在相应温度下的许用应力，管子可以安全运行。当工质温度升高时，压力将增大，作用在管壁处的应力水平将有一定程度的提高。但是在运行过程中并没有发现工质温度明显升高的迹象，因此认为钢管鼓包与工质压力的变化无关。
3.2.2温度与时间因素
如果在运行过程中，钢管向火面内壁的局部区域出现传热不良现象，将会导致此处的管壁温度升高——甚至超温，进而造成管壁金属强度的明显降低。管壁金属因温度升高而引起强度降低的程度依赖于超温的温度和作用的时间。通常，管壁金属的金相组织会随着运行时间的延长而有球化现象，但是在l×l0 4 h的运行时间内不会有太明显的改变。据300 MW直流锅炉鳍片管温度场的分布图口一，图6可知：在正常工况下，向火面管壁截面的温度也存在偏差。若管内工质的温度为365℃，管壁内侧的温度可以达到404.9℃，外壁处的温度可达到460.6℃，内外壁温度相差60℃左右。
鼓包和未鼓包交界处截面的3层不同组织形貌揭示了管壁金属经历的温度变化情况，并可以根据其变化推断出超温的大致时间和温度范围。首先，根据晶粒尺寸和组织形态推断：最大鼓包处钢管壁温经历了比20 G钢的Ac3点(840℃)至少高出50℃的温度循环，超温使这里的金属重新进行了奥氏体化，并在传热不良现象消失后冷却，重新获得了铁素体十珠光体组织。其次，由于管壁中间区域和外壁间约有30℃的温差，使这里的受热温度低于外壁，表现出晶粒尺寸更加细小的特征；再其次，内壁的组织形态说明此处所超出的温度没有达到Ac3点，而是处于铁索体十奥氏体二相区，使得原来组织中的珠光体在转变成奥氏体以后又于冷却中重新转变成小尺寸的铁素体和珠光体。由于晶界提供了较高的能量，所以转变集中在晶界处，形成了具有上述特征的组织形貌。在未鼓包处没有这种现象。最后，鼓包严重处只有基本均匀的一种组织形态和交界处截面有3种组织特征共存，说明鼓包处温度最高，交界面处次之。包鼓起处的金属在超温工况下全部进行了相变，而交界处截面中只有中间和外侧金属进行了完全相变。此外，交界处截面有3种形貌特征还说明超温时间较短，根据碳钢20 G的导热性估算，超温时间可能在5min左右。超温温度过高或作用时间过长，只要二者具备其一，都可以造成爆管的严重后果。幸运的是，运行造成的局部短时超温只是造成了管壁局部的塑性变形。
大修时观察到的所有鼓包可能是运行中一次超温工况造成的，也可能是几次超温工况结果的累加。所取试样中并没有发现局部超温部位重叠的现象，说明鼓包可能是在锅炉运行的全过程中，由一次超温造成的。正是由于短时超温，使传热不良的局部管壁金属的许用应力大幅度降低，进而在管内壁工质对管壁形成的应力作用下产生了塑性变形。在宏观上出现了鼓包特征�？杉苣诠ぶ试诠苣诒诒砻嬖斐傻木植看炔涣级贾碌墓鼙诰植慷淌背率窃斐伤浔诟止芄陌脑�。
4、结论
(1)分析与测试表明水冷壁钢管的材质符合标准要求，钢管鼓包和钢管材质无关。
(2)锅炉运行中产生的局部短时超温是致使水冷壁钢管鼓包的主要原因。
5、建议
(1)保证给水和炉水的品质合格，减少水冷壁内结垢。
(2)调整好燃烧，使火焰均匀不偏斜，防止水冷壁管受热不匀，水循环被破坏。
(3)对受热面进行蠕胀和变形等情况的定期检查。
(4)对长期存在过热问题的受热面，安装热工温度测点进行监督控制。富通新能源生产销售的生物质锅炉以及木屑颗�；怪频纳镏士帕Ｈ剂鲜强突遣淮淼难≡�。
