造成锅炉水冷壁管横向裂纹的原因（锅炉水冷壁爆管原因）
造成锅炉水冷壁管横向裂纹的原因（锅炉水冷壁爆管原因）1.1 宏观观察1 理化检验某电厂发生爆管的锅炉为 CFB(循环流化床) 锅炉。水冷壁爆管口位于该锅炉前墙 水冷壁管设 计材料 级 别 为 SA210A-1 级 规 格 为 50.8 mm× 4.19mm(外径×壁厚) 水冷壁工质进口压力为13 MPa 进口温度为292℃ 爆管前水冷壁管已累计运 行了63571h。由锅炉车 间 提 供 的 数 据 可 知:该 锅 炉 近 半 年 未 发 生 过 超 负 荷 运 行 半 年 平 均 负 荷 率 为 74.85%;锅炉给水为母管给水 切泵时未发生过给 水压力不足 的 现 象;锅 炉 水 冷 壁 管 无 壁 温 监 测 系 统;锅炉底部 床 层 和 炉 膛 烟 气 出 口 处 设 有 温 度 监 测系统 底部床 层 温 度 为 850~910 ℃ 炉 膛 烟 气 出口处温度约为880 ℃。为查明该锅炉水冷壁爆管的原因 笔者对失效 管及其相邻管进行
摘 要:对某电厂循环流化床锅炉水冷壁的鼓包爆管事故进行了化学成分、力学性能、金相检验 和能谱分析 结合管道及联箱检查对失效管道进行数值模拟。结果表明:失效管道的化学成分和力 学性能均符合标准要求 金相检验结果也未见明显异常;在管道及联箱中发现了异物堵塞和多处鼓 包现象 数值模拟、强度校核证实了异物堵塞是造成爆管的直接原因 同时发现失效管道堵塞时向 火面的局部温度为550~730 ℃。
关键词:锅炉水冷壁;爆管;异物堵塞;数值模拟
中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)06-0066-04
锅炉受热面是锅炉热量交换的载体 其长期处 于高温、高压的工作环境 容易受到各种因素的影响 而出现失效现象。据统计 在锅炉的失效事故中 70%均为受热面失效[1]。受热面失效的主要原因有 长时或短时温度过高、腐蚀、疲劳、结垢、磨损等 且 这些失效的受热面都有较为明显的特征和失效机 理[2] 大量文献对这些受热面失效的原因进行了分 析[3-7] 但对于异物堵塞造成的受热面失效的研究 较少。
某电厂发生爆管的锅炉为 CFB(循环流化床) 锅炉。水冷壁爆管口位于该锅炉前墙 水冷壁管设 计材料 级 别 为 SA210A-1 级 规 格 为 50.8 mm× 4.19mm(外径×壁厚) 水冷壁工质进口压力为13 MPa 进口温度为292℃ 爆管前水冷壁管已累计运 行了63571h。
由锅炉车 间 提 供 的 数 据 可 知:该 锅 炉 近 半 年 未 发 生 过 超 负 荷 运 行 半 年 平 均 负 荷 率 为 74.85%;锅炉给水为母管给水 切泵时未发生过给 水压力不足 的 现 象;锅 炉 水 冷 壁 管 无 壁 温 监 测 系 统;锅炉底部 床 层 和 炉 膛 烟 气 出 口 处 设 有 温 度 监 测系统 底部床 层 温 度 为 850~910 ℃ 炉 膛 烟 气 出口处温度约为880 ℃。
为查明该锅炉水冷壁爆管的原因 笔者对失效 管及其相邻管进行了理化检验 并对传热过程进行 了数值模拟。
1 理化检验
1.1 宏观观察
爆管现场照片如图1所示 其中 b管为失效管 道 a c管为其相邻管道。对水冷壁外管墙面进行 观察 发现在爆口处附近外墙面的红棕色保护墙变 黑 这是因为炉管外墙面遇到爆管泄漏的水后在高 温下变黑 观察外墙面并没有明显腐蚀或者磨损现 象 表明烟气侧未发生故障。与爆管相邻的a c管 外壁存在明显的沟槽状冲刷痕迹 靠近爆口侧的沟 槽边缘较为圆滑 远离爆口侧的沟槽有明显棱角 说 明沟槽是b管泄漏后工质向两侧冲刷引起的。
爆口的宏观形貌如图2所示 由图2可知:爆口 位于水冷壁管向火面 经测量 爆口长为60mm 宽 为25mm 呈喇叭口状 边缘明显减薄 爆口略偏离 管子中心轴线 整体呈塑性开裂特征 爆管外表面无 明显冲刷痕迹 同时内、外壁氧化皮厚度较薄 且在 爆口附近没有看到平行于爆口的纵向裂纹。进一步 对爆口边缘进行壁厚测量 在爆口上侧沿顺时针方 向 测 量 一 周 发 现 爆 口 边 缘 的 最 小 壁 厚 仅 为 1.2mm 位于左侧凸起的中间部位。
对b管爆口部位及c管的相同位置取样进行剖 管检查(见图3) 由图3可知 b管向火面内壁存在 明显的氧化皮剥离痕迹 有氧化皮脱落留下的凹陷 和孔洞 c管向火面内壁呈红棕色 表面较为光滑 无腐蚀迹象。
1.2 化学成分及力学性能测试
b管的化学成分如表1所示 符合标准 ANSI/ ASTM A210—1996《锅炉和过热器用中碳素无缝 钢管规范》的要求。在b管距爆口处上、下未鼓包区 域各截取一段炉管 以加工力学性能试样 分别对向 火面和背火面进行力学性能测试 结果如表2所示。 测试结果表明 这些部位的断后伸长率、屈服强度、 抗拉强度、硬度等均符合标准 ANSIASTM A210/ A210M 的要求。
1.3 金相检验与能谱分析
b c管的显微组织如图4所示 由图4可知:爆口处为正常的铁素体 珠光体 珠光体球化程度为 2.5级 未出现魏氏组织或贝氏组织 说明在爆管前 温度未达到 SA210A-1 钢 的 临 界 温 度 730 ℃。同 时 珠光体呈与爆口方向一致的纵向线性分布。b 管远离爆口处微观形貌和c管的微观形貌都为正常 的铁素体 珠光体 由于炉管长时间运行 因此也存 在2.5级的轻度球化现象。
b c管内壁产物的能谱分析(EDS)结果如表3 4所示 由表3 4可知:b管内壁产物主要含有铁、氧 元素 还有少量碳、钙等元素;结合 X 射线衍射仪对 b管及c管内壁产物进行成分分析 发现 b管内壁 产物主要为Fe3O4 c管内壁产物主要为Fe2O3。由 于没有发现大量氯离子和磷酸根离子 且在以往的 水质检测记录中 炉水的pH 为9~11 因此排除了 给水品质不合格的影响。
1.4 管道和联箱检查
在对管道其余部位进行检查时 发现 b管和未 爆炉管的向火面均出现鼓包现象(见图5)。对b管 所在的下联箱进行内窥镜检查 发现在周围水冷壁 管入口处卡着一块异物(见图 6)。异物尺寸约为 40mm×40mm×20mm 其主要成分为 CaCO3 和 Ca3(PO4)2。
2 基于FLUENT软件的传热模拟分析
2.1 传热过程
传热过程大致分为以下3个部分。
(1)炉膛内部高温烟气对水冷壁壁面的传热。 发生爆管的是水冷壁管 因为烟气流速较慢 对壁面 的对流换热量不大 主要以热辐射为主。有研究表 明:水冷壁热辐射产生的换热量占总换热量的95% 以上[8] 因此在模拟时只考虑壁面热辐射的影响 换 热量主要取决于炉内烟气的温度。
(2)炉管内壁的热量传递方式为热传导 其速 率与炉管材料的导热系数有关。
(3)水冷壁管壁内部工质的传热情况较为复 杂 受固体物堵塞的影响 既有工质与管道、工质与 堵塞物的对流换热 也有堵塞物与内壁面的热传导 同时堵塞物的具体形状和其在内壁中的堵塞情况也 不明确。
2.2 传热模型及边界条件
对外径为50.8mm 壁厚为4.19mm 的管道及 其实际鳍片进行建模 对堵塞异物进行等体积简化 同时模拟爆管时异物卡住的情形。在炉管内壁与固 体堵塞物接触面处 由于接触面积较小 因此将堵塞 物与接触面的接触状况简化为点与面的接触 管道 传热模型如图7所示。
水冷壁的进口压力设置为13MPa 进口温度设 置为292 ℃ 出口为自由出口。流化床炉内温度低 于一般锅炉 由温度检测系统可得 底部床层温度为 850~910 ℃ 炉膛烟气出口处温度约为880 ℃ 因 此设定水冷壁及其鳍片的向火面一侧为受热壁面 其热量来自于880 ℃的热辐射。
2.3 模拟结果
炉管稳态时的温度分布数值模拟结果如图8所 示 由图8可知 炉管向火面的温度为559~879℃。 当水冷壁温度为 550 ℃ 时 其 对 应 的 许 用 应 力 为 12.7MPa [9] 小于水冷壁的工作压力 13 MPa。即 在异物堵塞的局部范围内 由于这部分壁面温度升高 因此其受到的应力大于许用应力。
3 综合分析
结合内壁产物成分分析与水质 pH 检测 爆管 原因并非为给水品质不合格。b管向火面爆管处的 氧化皮脱落 其他管壁表面较为光滑 b管内壁产物 主要为 Fe3O4 其他管壁内壁产物主要为 Fe2O3 这 是因为向火面局部高温导致致密的 Fe2O3 氧化层 转化为疏松多孔的 Fe3O4 氧化层。
根据强度校核及数值模拟结果 可推测爆管时 爆口附近向火面温度超过550 ℃ 综合推测爆管时 向火面温度为550~730 ℃。
结合数值模拟可知:异物存在于炉水循环管道 中 随着工质的流动 在可能位置发生堵塞现象 而 堵塞造成炉水流通不畅 管壁局部温度过高导致工 作压力超过 550 ℃ 时 对应温 度 下 的 许 用 应 力 为 12.7 MPa 在压力及堵塞物的共同作用下 炉管出 现鼓包现象 炉管管壁壁厚减薄 管内体积增大 异 物脱离并滚落至下一个堵塞点 循环这个过程 直到 炉管管壁承受不住压力发生爆管。
4 结论
(1)爆管的化学成分和力学性能均符合标准要 求;内壁产物的化学成分与水质检测记录表明爆管 原因与给水品质无关。
(2)爆管和其他管道均出现鼓包现象 且在下 联箱的管道入口处发现有固体异物堵塞 故推测固 体堵塞物是造成这次爆管的根本原因;异物堵塞后 的工质流通不畅 引发的局部温度过高以及堵塞物 对管道挤压作用是造成这次爆管的直接原因。
(3)结合上述理化检验和传热模拟分析 可发 现管道局部温度对应的许用应力低于工作压力 证 实了这次爆管原因为异物堵塞。
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<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 6期 (pp:66-69)>
