一起水冷壁管裂纹漏水事故的原因分析

一起水冷壁管裂纹漏水事故的原因一起水冷壁管裂纹漏水事故的原因 分析分析 锅壳式热水锅炉在实际运行中 水冷壁管损坏漏水事故时 有发生 其损坏的原因大多是因为给水硬度过高 管子水侧结 垢严重甚至堵塞或水循环不良 管壁温度升高过热造成的 通 常情况下伴随着局部鼓包 胀粗变形等现象 但在下面的一起 水冷壁管裂纹漏水事故的案例中 未发现明显的鼓包 胀粗变 形 裂纹分布在水冷壁管内壁向火面两侧 呈纵向发展 并最 终导致贯穿漏水 经检验检测和调查分析 现对水冷壁管产生 裂纹漏水的机理和成因做一探讨 1 检验情况检验情况 1 1 宏观检验特征 某单位两台 dzl4 2 1 0 115 70 a 锅壳式热水锅炉 采 用拱型管板 螺纹烟管 翼型烟道结构布置 2000 年制造并安 装投入使用 2003 年 12 月 1 锅炉因水冷壁管发生漏水事故 检验发现 发生裂纹漏水的水冷壁管位于炉膛左侧前数第 6 根 8 根下部弯管处 靠近炉膛前部 裂纹部位位于管子向火面的 侧面 裂纹长分别为 30 mm 10mm 没有发现明显的胀粗变 形 1 2 割管检查 从弯管处两侧割断管子 管口断面呈椭圆状 长轴直径 50 6 mm 短轴直径 48 7mm 剖面管壁厚度有不均匀减薄 最小壁厚 2 2 mm 最大壁厚 2 9mm 从管子断口剖面可以发现管内结垢不均匀 向火侧垢层厚 度在 0 7 1 5 mm 之间 其它部位未发现明显结垢 结垢区两 侧存在明显的纵向沟槽 内壁表面其它部位没有发现明显的腐 蚀迹象 见图 1 图 2 对切下的管段做纵向解剖 清除结垢并进行打磨发现 外 壁发生裂纹漏水的部位恰好是内壁裂纹沟槽的最深部位 1 3 垢样分析与金相检测 经取垢样分析 发现垢层中存在 fe2o3 fe3o4 等氧化物 质 对正常部位与裂纹部位分别取样进行金相检查 发现金相 组织没有较大的变化 但在裂纹内部可以发现存在明显的氧化 物质 见图 3 2 运行情况调查运行情况调查 该单位取暖面积 75 000 m2 取暖期间采用两台锅炉并联 的运行方式 出水温度 92 98 回水温度 65 750 运行工 作压力 0 58 0 6 mpa 锅炉房内设置 4 台 150rk180 40a 型循 环水泵 每台循环水泵的流量为 173 m3 h 扬程为 37 3 m 正常运行时 采用 2 台水泵并联运行 另外 2 台水泵备用 日 补水量近 3 m3 锅炉水质处理采用锅外化学处理 钠离子交换器 和锅内加 药处理相结合的方法 经取样化验 给水 ph 值为 6 硬度为 0 63 mmol l 锅水的 ph 值为 7 3 裂纹失效分析裂纹失效分析 根据检验检测和对锅炉运行管理情况的调查 笔者认为造 成水冷壁管出现裂纹失效的原因主要有以下几点 3 1 结垢导致水冷壁管壁温升高 该单位锅炉运行中间断出现给水硬度超标的情况 致使锅 炉在运行中高热负荷区水冷壁管局部结垢 导致管壁温度升高 垢层越厚 壁温越高 据有关资料介绍 按照水冷壁管传热负 荷是 0 23 w m2 考虑 如果内壁附有 0 1 mm 的垢层 水冷壁 管壁温比没有水垢时上升 25 左右 由此可以推算 当水冷壁 管向火侧垢层厚度在 0 7 1 5 mm 之间时 向火侧炉管壁温上 升 175 375 同时由于结垢的不均匀性 在管壁各部分之间 存在一定温差 3 2 局部过冷沸腾产生热冲击促进了腐蚀的发生发展 由运行工况调查可知 锅炉在运行过程中 出水温度低于 设计出口温度 供回水温差与设计温差相比偏低 锅炉在运行 中长期保持低负荷 因水冷壁管处于热负荷最高的位置 在循 环水流速偏低时 很容易使管内产生过冷沸腾 过冷沸腾的产 生一方面破坏了水冷壁管壁的水膜 造成传热恶化 金属壁温 升高 另一方面产生的气泡进入冷水时 气泡破裂 产生局部 真空 急冷急热反复交替 产生了热冲击 金属面上的氧化膜 被破坏 露出新的铁金属面 如此交替 使腐蚀不断进行 并 逐渐形成腐蚀沟槽 对垢样化验分析和裂纹处金相组织检测时 发现了氧化物质 证实在水管的内壁局部发生了严重的金属腐 蚀 3 3 温差应力产生的疲劳腐蚀加快了腐蚀的发展 由于水冷壁管内壁结垢的不均匀性 向火面结垢偏多 背 火面结垢偏少 在内壁向火面与背火面的结合部位壁温有一定 温差 同时 由于过冷沸腾产生的蒸汽在结垢较多和较少的结 合部位产生冷热交替的热冲击 存在温差应力 在温度交变循 环载荷作用下 由于过冷沸腾热冲击产生的腐蚀沟槽根部发生 应力集中 并产生塑性滑移 由于电化学作用 加速了沟槽根 部的进一步腐蚀 滑移与腐蚀交替进行相互叠加 导致腐蚀裂 纹的形成与增长 并最终形成贯穿性裂纹 这种腐蚀裂纹主要 沿垂直于局部主应力的方向穿晶扩展 当晶粒边界与主应力呈 45 时 裂纹也可能会沿晶界扩展 疲劳腐蚀具有以下特点 一是金属材料的疲劳腐蚀有限寿 命强度会随着载荷循环次数的增加而不断下降 二是金属材料 的疲劳腐蚀有限寿命强度与载荷循环的频率有关 不但随着载 荷循环频率的增加而减少 并且随着载荷循环频率的减小 金 属材料所能承受的载荷循环次数会下降 因为在较低频率循环载 荷下 载荷的每次循环能提供更多的时间 使金属材料遭受介 质的侵蚀 加强了腐蚀的作用效果 因此 金属材料在腐蚀疲 劳时腐蚀行为很难由通常状态下的腐蚀性能来推测 三是疲劳 腐蚀过程进展的速率 主要取决于介质的腐蚀性能和循环载荷 条件 这种腐蚀与疲劳的同时作用 可以使材料的疲劳强度大 大下降 综上所述 造成水冷壁管裂纹漏水的原因是结垢导致管壁 温度升高 运行调节不当产生过冷沸腾 结垢不均匀产生疲劳 腐蚀等综合因素作用的结果 4 处理措施及效果处理措施及效果 1 更换损坏