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X公司锅炉汽包上升管爆管原因分析

发表时间：2021/5/19 来源：《基层建设》2020年第35期作者：黄浩

[导读] 摘要：锅炉的使用方式主要为通过燃烧对水进行加热产生高压蒸汽提供动力或者供热，高温高压情况下存在产生爆管的风险。

        江苏省特种设备安全监督检验研究院江苏省南京市 210000
        摘要：锅炉的使用方式主要为通过燃烧对水进行加热产生高压蒸汽提供动力或者供热，高温高压情况下存在产生爆管的风险。随着社会的不断发展，国家与人民对于安全生产越来越重视。为了保证锅炉的运行安全，必须对锅炉爆管进行技术性分析，在这一过程中导致锅炉汽包下降管出现爆管现象，阻碍锅炉的正常使用，导致了一定程度上的安全隐患。本文就X公司锅炉汽包上升管出现爆管原因进行分析，提供出几点建议以供参考。
        关键词：锅炉汽包上升管；腐蚀；爆管
        引言：
        我国国土面积广大，受自然环境影响，我国有着悠久的使用锅炉的历史，锅炉的使用与人民群众的日常生活与社会的经济发展有着不可分割的重要关联。随着对于安全方面的要求越来越高，对于锅炉在使用过程中的安全性能要求也随之提高。在这一特殊情况下，对于锅炉连接管的要求也随之提高，但是，受限于技术水平与工作人员的综合素质，不可避免的导致了爆管情况的出现。为了让锅炉能够正常的履行为国家及人民服务的要求，必须针对这一情况进行改进。
        1 背景
        X公司于2020年3月份2#炉汽包上升管处发生爆管，经过现场查看以及运行情况调查，汽包上升管处的运行环境为：材质为20G碳钢，运行温度大约在280℃，运行时间大约在15年，工作压力大约在8MPa，停炉期间会在上升管的底部残留部分水迹。并对不同位置的汽包上升管进行取样分析，如图1所示。其中图1（a）为管壁的爆破处，圆管已经破裂呈现为板状，样品记为#1样；图1（b）为破裂管壁的断裂处位置，爆破呈板状的管壁从此处撕裂，样品记为#2样；图1（c）为破裂管相邻处的连接管，样品记为#3样。

        图1 汽包下连接管的不同取样位置，
        （a）破裂管的爆破处#1；（b）破裂管断裂处#2；（c）破裂管相邻处连接管#3
        2 样品制备及检测方法
        2.1 样品制备
        对图1中不同位置的汽包上升管进行取样分析，具体取样位置如图1中白色记号笔标记所示，选取的区域利用线切割经行截取，截取之后的试样片经行镶嵌，方便进行组织观察。
        2.2 金相组织
        对试样进行镶嵌，然后按照400/800/1200#砂纸顺序打磨、抛光，再采用4%硝酸酒精进行腐蚀，腐蚀时间8~10s，最后利用ZEISS金相显微镜观察试样金相组织。
        2.3 硬度分布
        采用显微维氏硬度计根据试样的金相组织分布进行硬度分布测试，载荷选择0.3kg，保载15s。
        3分析与讨论
        3.1 宏观形貌及金相组织
        3.1.1 #1样品的宏观形貌及金相组织
        #1样品破裂管爆破处的宏观形貌如图2所示，从图中可以看出，在停炉期间管道底部存有水迹的部分，其内壁表面出现凹凸不平的腐蚀坑，说明了存有的水迹对管壁具有腐蚀作用。为了进一步观察组织的变化，对管壁截面进行了金相检验。

图2 破裂管爆破处（#1）的宏观形貌
为了确保实验的准确性，我们对#1样品分别进行了不同位置的取样，经过处理后观察其金相组织，如图3所示为两处不同位置内壁侧的金相组织，图4为两处不同位置外壁侧的金相组织。

图3 #1样品处内壁侧金相组织图，
（a）和（b）为低倍组织，（a1）和（b1）为高倍组织

        图4 #1样品处外壁侧金相组织图，
        （a）和（b）为低倍组织，（a1）和（b1）为高倍组织
        从图3和图4中可以看出，1#样品处的金相组织为铁素体和珠光体，在内壁侧的铁素体和珠光体成条带状，外壁侧的组织条带状不明显，呈现出弥散分布状态。内壁和外壁侧的组织形态不明显，主要与生产过程中的轧制、热锻等塑性变形有关，与后续的过程中的运行无关，但是，低碳钢中的条带状组织属于一种缺陷，会降低材料的塑性和韧性。从图3和图4的高倍组织图中可以看出，由于长时间的运行，连接管处金相组织呈轻度球化，无明显老化现象，对管材性能影响较小。同时，从图3中可以看出，其内壁侧表面出现不同程度的腐蚀坑，为了更为直观的观察腐蚀坑的腐蚀情况，我们对其腐蚀形貌进行了检测，如图5所示。

        图5 #1样品处的腐蚀坑的微观形貌，（a）低倍形貌（b）高倍形貌
        从图5中可以看出，管壁的内壁侧出现严重的腐蚀，并且在腐蚀末端呈现出扩展现象，在运行工况下，会受到很大的压力，加速腐蚀端的扩展，长期反复运行，最终导致管壁破裂。
        3.1.2 #2样品的宏观形貌及金相组织
        #2样品破裂管断裂处的宏观形貌如图6所示，从图中可以看出，其内壁表面出现严重的腐蚀坑，局部区域的腐蚀坑较深，如图6所示的红色圆圈标记。这种较深的腐蚀坑是连接管发生爆破的根源。为了进一步观察组织的变化，对管壁截面进行了金相分析。

图6 破裂管断裂处（#2）的宏观形貌
同样，我们对#2样品分别进行了不同位置的取样，经过处理后观察其金相组织，如图7所示为两处不同位置内壁侧的金相组织，图8为两处不同位置外壁侧的金相组织。

图7 #2样品处内壁侧金相组织图，
（a）和（b）为低倍组织，（a1）和（b1）为高倍组织

图8 #2样品处外壁侧金相组织图，（a）和（b）为低倍组织，（a1）和（b1）为高倍组织
从图7和图8中可以看出，2#样品处的金相组织为铁素体和珠光体，并且在组织形态上与#1样品呈现出相同的变化，组织呈现出轻度球化，对材料性能影响较小。同时，从图8中可以看出，其内壁侧表面也同样出现了不同程度的腐蚀坑，为了更为直观的观察腐蚀坑的腐蚀情况，我们对其腐蚀形貌进行了观察，如图9所示。

        图9 #2样品处的腐蚀坑的微观形貌
        从图9中可以看出，管壁的内壁侧也出现严重的腐蚀，形成较深的腐蚀坑，这也是导致管壁发生破裂的一个重要隐患。
        3.1.3 #3样品的宏观形貌及金相组织
        #3样品破裂管邻近处连接管的宏观形貌如图10所示，从图中可以看出，其内壁表面同样也出现了腐蚀坑，局部区域较深，在承压环境下发生破裂。为了进一步观察组织的变化，对管壁截面进行了金相分析。

图10 破裂管邻近处（#2）的宏观形貌
同样，我们对#3样品分别进行了不同位置的取样，一个样品取样于腐蚀处（图11（a）所示），一个样品取样于未腐蚀处（图11（b）所示），经过处理后观察其金相组织，如图11所示为两处不同位置内壁侧的金相组织，图12为两处不同位置外壁侧的金相组织。

图11 #3样品处内壁侧金相组织图，（
a）和（b）为低倍组织，（a1）和（b1）为高倍组织

        图12 #3样品处外壁侧金相组织图，
        （a）和（b）为低倍组织，（a1）和（b1）为高倍组织
        从图11和图12中可以看出，3#样品处的金相组织为铁素体和珠光体，并且在组织形态上与#1样品呈现出相同的变化，组织呈现出轻度球化，对材料性能影响较小。同时，从图11（a）和图11（b）所示可知，残留的水迹对管壁具有一定的腐蚀作用，在内壁表面留下腐蚀坑，在长期腐蚀以及承压环境下反复运行，会导致其发生爆裂。
        3.2 微观硬度
        3.2.1 #1样品处的微观硬度
        图13为#1样品从外壁侧到内壁侧的微观硬度变化，从图中可以看出，从外壁到内壁侧的微观硬度基本保持不变，与20G的标准硬度基本保持一致，所以轻度球化对管壁的性能影响较小，在避免腐蚀的情况下，可以继续使用。

        图13 #1样品处从外壁侧到内壁侧的微观硬度变化
        3.2.2 #2样品处的微观硬度
        图14为#2样品从内壁侧到外壁侧的微观硬度变化，从图中可以看出，与#1样品相似，从内壁到外壁侧的微观硬度基本保持不变，说明连接管壁材料并没有出现明显的老化现象。

        图14 #2样品处从内壁侧到外壁侧的微观硬度变化
        3.2.3 #3样品处的微观硬度
        图15为#3样品从内壁侧到外壁侧的微观硬度变化，从图中可以看出，与#1样品与#2样品相似，从内壁到外壁侧的微观硬度基本保持不变，说明上升管壁材料并没有出现明显的老化现象。

        图15 #3样品处从内壁侧到外壁侧的微观硬度变化
        4 结论
        （1）从金相组织分析可知，管壁金相组织为铁素体和珠光体组织，内壁侧组织呈现出条带状分布，外壁侧弥散分布于晶界处，这主要与上升管在生产过程中的塑性变形有关。并且珠光体呈轻度球化，无明显老化现象，对材料性能影响较小。
        （2）在内壁侧的残留水迹区域有点大量的腐蚀坑，这说明了残留的水迹对管道具有腐蚀作用，并且局部点腐蚀较深，在长期腐蚀以及承压环境下运行，容易发生爆管事故。
        （3）连接管外壁侧到内壁侧的微观硬度基本保持不变，说明了珠光体轻度球化对材料影响较小，在避免腐蚀的情况下，可以继续使用。
        （4）汽包上升管的爆管主要是由于腐蚀的原因，轻度球化老化现象对材料影响较小，并且爆管相邻处的管壁也出现了大量的腐蚀坑，在承压环境下运行，有发生爆管的风险。
        作者简介：
        黄浩（1986年），男，本科，助理工程师，锅炉检验。