转炉余热锅炉水冷壁管泄漏失效分析

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1、化工机械2013扭转炉余热锅炉水冷壁管泄漏失效分析操龙兵4夏明六韩成树(铜陵市特种设备监督检验中心)摘要针对转炉余热锅炉水冷壁管的微观组织、化学成分和力学性能进行了测试分析。结果表明：水冷壁管的材料和微观组织均未发生变化，含尘烟气冲刷磨损是导致水冷壁管厚度减薄的直接原因，减薄部位形成非圆弧过渡区产生应力集中从而产生裂纹源。在循环交变的热应力下水冷壁管处于交变的拉伸一压缩状态从而导致水冷壁管开裂。关键词余热锅炉水冷壁泄漏失效中图分类号TQ051．5文献标识码B文章编号0254_6094(2013)06_0844_03转炉余热锅炉是综合利用转炉余

2、热烟气中的热量，加热受热面用以生产固定参数的蒸汽设备，能降低烟气温度除去部分烟尘以满足后部收尘、制酸工艺和环境保护的要求，因此转炉余热锅炉在转炉生产中占有十分重要的地位¨j。该设备在工作时要最大限度地收集高温烟气，承受最高的炉气温度与剧烈频繁的温度变化，工况极为恶劣。某冶炼厂转炉余热锅炉水冷壁炉墙规格为638mm×5mm，材料为20G，蒸发量7．8t／h，额定蒸汽出口压力4．2MPa，设计烟气人口温度为8000C，烟气流量为30000m3／h。该锅炉在运行过程中频繁出现水冷壁泄漏现象，对锅炉的安全平稳运行造成重大隐患，也增加了锅炉的检修强度。

3、笔者针对该台锅炉水冷壁泄漏的实际情况，结合锅炉运行状况，对水冷壁泄漏原因进行了分析。1试验结果1．1宏观形貌水冷壁管泄漏裂纹部位宏观断口如图1所示，宏观检查发现裂纹出现在与鳍片垂直且位于水冷壁管炉膛内侧最凸出的部位，裂纹出现在炉膛面侧，炉膛背侧管壁没有发现裂纹。从图1中可以观察到出现裂纹的管壁面侧壁厚明显小于没有出现裂纹的背侧壁厚。宏观检查发现水冷壁管裂纹起源于管壁外表面烟灰侧，由烟灰侧向管内壁垂直扩展，直至贯穿泄漏。图1水冷壁管宏观照片1．2化学成分在水冷壁管裂纹源附近取样，对其化学成分进行直读光谱分析(表1)，结果显示水冷壁管材料为碳钢，

4、不含其他合金元素，根据碳含量和高压无缝钢管一般选用原则，可确认该水冷壁管的材料为20G。根据20G标准成分，该水冷壁管的成分分析中发现碳元素和硫元素含量比20G标准成分偏高，但根据GB／T222-2006{钢的成品化学成分允许偏差》规定均在误差允许范围内，符合标准要求。*操龙兵，男，1985年11月生，助理工程师。安徽省铜陵市，244000。第40卷第6期化工机械845表I水冷壁管化学成分与标准值对比表％1．3微观组织分别从水冷壁管裂纹内外表面取样，经过4％硝酸酒精侵蚀处理后输出轴的金相显微组织照片如图2所示。观察结果表明，该水冷壁管外表面没

5、有经过渗碳处理或其他表面处理，基本组织为铁素体(白色)+珠光体(黑色)，晶粒度7～8级，比较细小，可以确认为正火态组织"J。a．外表面h【qf(㈨图2水冷壁管金相显微组织照片1．4力学性能沿着水冷壁管纵向制备拉伸试样，在室温下按GB／T228-2002(金属材料室温拉伸试验方法》进行拉伸性能试验；在裂纹两侧部位打磨至露出金属光泽，按GB／T17394．1998《金属里氏硬度试验方法》进行硬度测定，与经过正火处理的20G标准力学性能⋯对比见表2。表2水冷壁管力学性能检测结果从表2中可以看出，水冷壁管的抗拉强度基本符合20G的标准性能指标要求，但

6、是伸长率和冲击吸收功均低于标准性能要求。虽然GB5310-2008(高压锅炉用无缝钢管》中没有明确20G硬度指标的具体要求，但笔者通过对照20G正火处理后的硬度值发现，该水冷壁管的里氏硬度值明显高于20G正火处理后的硬度。2原因分析从水冷壁管微观组织组成来看，该水冷壁管进行了正火处理，正火态的铁素体+珠光体组织晶粒较细小，使抗拉强度能够达到正火态的要求。但是，由于铁素体和珠光体的力学性能不同，管材表面铁素体区域性能较差，在受到循环应力作用下，容易发生疲劳损伤。炉膛内含尘烟气对水冷壁管的冲刷磨损导致水冷壁管炉膛面侧减薄。水冷壁管炉膛面侧表面受冲

7、刷部位因磨损造成非圆弧过渡存在较大的应力集中，使该部位的铁素体首先发生破坏，形成疲劳源。同时由于炉墙鳍片和水冷壁管的受热分别产生热膨胀，由于鳍片和水冷壁管的热膨胀系数有差别，在受热过程中水冷壁管两侧对称的鳍片对水冷壁管产生循环的拉伸一压缩交变应力。冲刷磨损严重的脆弱部位形成的疲劳裂纹源在交变应力作用下扩张，从而产生裂纹，最终发生泄漏事故。从力学性能试验中也可以发现，该水冷壁管的冲击吸收功和伸长率均不满足GB5310—2008中20G的指标要求，且硬度测试结果也显示泄漏失效后的水冷壁管硬度值明显高于标准的20G硬度值，这与水冷壁管的抗拉强度反应

8、出来的结果相一致。水冷壁管经过热疲劳以后形成了较大的残余应力水平，故其强度和硬度均呈现较高水平Hj。3结束语含尘烟气冲刷磨损是导致水冷壁管厚度减薄的直接原因，减薄部