1、前言
    某電廠l號(hào)機(jī)組300 MW燃煤鍋爐子2003年12月投入運(yùn)行，到2006年2月大修時(shí)，鍋爐累計(jì)運(yùn)行了100 80 h。在大修時(shí)發(fā)現(xiàn)：向火面的水冷壁鋼管上多處有鼓包現(xiàn)象，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，垂直段和斜坡上分別有138根和109根出現(xiàn)此現(xiàn)象，且爐后墻鋼管鼓包數(shù)量比前墻多。水冷壁鋼管的材料牌號(hào)為20 G，即包括光管(規(guī)格為∮45×6mm)，也包括內(nèi)螺紋管(規(guī)格為∮45×5.4mm)。在鼓包的水冷壁鋼管中先后截取2根作
為分析的樣品，1只鼓包不明顯，編號(hào)為1號(hào)，1只鼓包明顯，編號(hào)為2號(hào)。分別對(duì)2只鋼管進(jìn)行了宏觀形貌觀察、幾何尺寸測(cè)量、力學(xué)性能測(cè)試和微觀組織分析，并對(duì)產(chǎn)生鼓包的原因進(jìn)行了分析和討論。
2、試驗(yàn)過程與結(jié)果
2.1鼓包管子的宏觀分析
    對(duì)取回的2只鋼管進(jìn)行宏觀形貌觀察和尺
寸測(cè)量。分析發(fā)現(xiàn)：鋼管外表面呈棕紅色，與未鼓包處相比，1號(hào)鋼管鼓包處外徑增大了0.7mm，2號(hào)鋼管鼓包處外徑增大了1.4 mm。鼓包處鋼管壁厚的最大減薄量0.3 mm。l號(hào)和2號(hào)鋼管鼓包處的宏觀形貌分別如圖1和圖2所示。
2.2鼓包鋼管的化學(xué)成分分析
    分別從2只鋼管上取樣用德國(guó)OBLF公司生產(chǎn)的QSN750型直讀光譜儀測(cè)試了鋼管的化學(xué)成分，測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表中的數(shù)據(jù)來看，2只水冷壁鋼管的化學(xué)成分均符合GB 5310-95標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
2.3力學(xué)性能
    分別在2只鋼管上取樣進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。測(cè)試結(jié)果表明，2只鋼管的各項(xiàng)力學(xué)性能均符合GB 5310 - 95標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，且1號(hào)鋼管鼓包處與未鼓包處的硬度并無明顯差異。
2.4金相組織分析
    分別在1號(hào)、2號(hào)鋼管鼓包處取樣進(jìn)行金相分析。分析過程中發(fā)現(xiàn)：2只鋼管的內(nèi)壁均有脫碳現(xiàn)象，全脫碳層最大深度為0.15 mm，外壁脫碳不明顯。在1號(hào)鋼管的內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)了軋制產(chǎn)生的直道，直道的最大深度為0.12 mm，直道底部比較圓鈍，且無自直道底部萌生裂紋或產(chǎn)生鼓包的跡象。脫碳層和直道深度符合GB 5310 - 95標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。1號(hào)鋼管內(nèi)壁脫碳層和直道底部及其附近區(qū)域的金相組織形貌見圖3所示。2號(hào)鋼管所取金相試樣上沒有發(fā)現(xiàn)軋制直道。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
    觀察1號(hào)試樣在鼓包最嚴(yán)重區(qū)域、未鼓包區(qū)域、二者交界處以及2號(hào)試樣鼓包最嚴(yán)重區(qū)域的顯微組織形態(tài)。觀察發(fā)現(xiàn)：在1號(hào)試樣鼓包和未鼓包交界處的截面上，外壁側(cè)（1.5 mm厚）組織形態(tài)與鼓包最嚴(yán)重區(qū)域以及未鼓包區(qū)域的組織形態(tài)相同，見圖4(a)。內(nèi)壁側(cè)（約1.3 mm厚）的金相組織為鐵素體十沿晶界分布的小尺寸珠光體和鐵索體，晶粒度為6～7級(jí)，內(nèi)壁組織形態(tài)詳見圖4(b)。管壁中間部分的（約2.5 mm厚）晶粒尺寸小于外壁和內(nèi)壁，晶粒度細(xì)于8級(jí)，組織形態(tài)正常，為鐵素體十珠光體，組織特征見圖4(c)。1號(hào)和2號(hào)鋼管鼓包最嚴(yán)重區(qū)域與1號(hào)鋼管未鼓包區(qū)域的金相組織相同，組織為鐵素體十珠光體，組織形態(tài)正常，晶粒度為7～8級(jí)，典型的組織形貌見圖5。夾雜物等級(jí)為AO.5、BO.5、CO．5、Dl．O級(jí)，微觀組織符合GB 5310 - 95標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
3、分析與討論
3.1材質(zhì)與鼓包的關(guān)系
    分析與測(cè)試結(jié)果表明，水冷壁鋼管的化學(xué)成分、力學(xué)性能、夾雜物等級(jí)、脫碳層深度、內(nèi)壁的軋制直道的深度、金相組織形態(tài)和晶粒度均符合GB 5310-95的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鋼管鼓包與材質(zhì)無關(guān)。
3.2鼓包的原因分析
    水冷壁鋼管鼓包意味著此處產(chǎn)生了塑性變形。即在運(yùn)行工況下金屬管壁所承受的應(yīng)力水平超過了它的屈服強(qiáng)度。鼓包的程度取決于當(dāng)時(shí)運(yùn)行工況下應(yīng)力、溫度和時(shí)間3者共同作用的結(jié)果。
3.2.1應(yīng)力因素
    在正常工況下，工質(zhì)作用在管壁上的最大壓力為19.8 kN，這個(gè)壓力所形成的應(yīng)力小于20 G鋼管在相應(yīng)溫度下的許用應(yīng)力，管子可以安全運(yùn)行。當(dāng)工質(zhì)溫度升高時(shí)，壓力將增大，作用在管壁處的應(yīng)力水平將有一定程度的提高。但是在運(yùn)行過程中并沒有發(fā)現(xiàn)工質(zhì)溫度明顯升高的跡象，因此認(rèn)為鋼管鼓包與工質(zhì)壓力的變化無關(guān)。
3.2.2溫度與時(shí)間因素
    如果在運(yùn)行過程中，鋼管向火面內(nèi)壁的局部區(qū)域出現(xiàn)傳熱不良現(xiàn)象，將會(huì)導(dǎo)致此處的管壁溫度升高——甚至超溫，進(jìn)而造成管壁金屬?gòu)?qiáng)度的明顯降低。管壁金屬因溫度升高而引起強(qiáng)度降低的程度依賴于超溫的溫度和作用的時(shí)間。通常，管壁金屬的金相組織會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而有球化現(xiàn)象，但是在l×l0 4 h的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)不會(huì)有太明顯的改變。據(jù)300 MW直流鍋爐鰭片管溫度場(chǎng)的分布圖口一，圖6可知：在正常工況下，向火面管壁截面的溫度也存在偏差。若管內(nèi)工質(zhì)的溫度為365℃，管壁內(nèi)側(cè)的溫度可以達(dá)到404.9℃，外壁處的溫度可達(dá)到460.6℃，內(nèi)外壁溫度相差60℃左右。
    鼓包和未鼓包交界處截面的3層不同組織形貌揭示了管壁金屬經(jīng)歷的溫度變化情況，并可以根據(jù)其變化推斷出超溫的大致時(shí)間和溫度范圍。首先，根據(jù)晶粒尺寸和組織形態(tài)推斷：最大鼓包處鋼管壁溫經(jīng)歷了比20 G鋼的Ac3點(diǎn)(840℃)至少高出50℃的溫度循環(huán)，超溫使這里的金屬重新進(jìn)行了奧氏體化，并在傳熱不良現(xiàn)象消失后冷卻，重新獲得了鐵素體十珠光體組織。其次，由于管壁中間區(qū)域和外壁間約有30℃的溫差，使這里的受熱溫度低于外壁，表現(xiàn)出晶粒尺寸更加細(xì)小的特征；再其次，內(nèi)壁的組織形態(tài)說明此處所超出的溫度沒有達(dá)到Ac3點(diǎn)，而是處于鐵索體十奧氏體二相區(qū)，使得原來組織中的珠光體在轉(zhuǎn)變成奧氏體以后又于冷卻中重新轉(zhuǎn)變成小尺寸的鐵素體和珠光體。由于晶界提供了較高的能量，所以轉(zhuǎn)變集中在晶界處，形成了具有上述特征的組織形貌。在未鼓包處沒有這種現(xiàn)象。最后，鼓包嚴(yán)重處只有基本均勻的一種組織形態(tài)和交界處截面有3種組織特征共存，說明鼓包處溫度最高，交界面處次之。包鼓起處的金屬在超溫工況下全部進(jìn)行了相變，而交界處截面中只有中間和外側(cè)金屬進(jìn)行了完全相變。此外，交界處截面有3種形貌特征還說明超溫時(shí)間較短，根據(jù)碳鋼20 G的導(dǎo)熱性估算，超溫時(shí)間可能在5min左右。超溫溫度過高或作用時(shí)間過長(zhǎng)，只要二者具備其一，都可以造成爆管的嚴(yán)重后果。幸運(yùn)的是，運(yùn)行造成的局部短時(shí)超溫只是造成了管壁局部的塑性變形。
    大修時(shí)觀察到的所有鼓包可能是運(yùn)行中一次超溫工況造成的，也可能是幾次超溫工況結(jié)果的累加。所取試樣中并沒有發(fā)現(xiàn)局部超溫部位重疊的現(xiàn)象，說明鼓包可能是在鍋爐運(yùn)行的全過程中，由一次超溫造成的。正是由于短時(shí)超溫，使傳熱不良的局部管壁金屬的許用應(yīng)力大幅度降低，進(jìn)而在管內(nèi)壁工質(zhì)對(duì)管壁形成的應(yīng)力作用下產(chǎn)生了塑性變形。在宏觀上出現(xiàn)了鼓包特征�？梢姡�管內(nèi)工質(zhì)在管內(nèi)壁表面造成的局部傳熱不良而導(dǎo)致的管壁局部短時(shí)超溫是造成水冷壁鋼管鼓包的原因。
4、結(jié)論
    (1)分析與測(cè)試表明水冷壁鋼管的材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼管鼓包和鋼管材質(zhì)無關(guān)。
    (2)鍋爐運(yùn)行中產(chǎn)生的局部短時(shí)超溫是致使水冷壁鋼管鼓包的主要原因。
5、建議
    (1)保證給水和爐水的品質(zhì)合格，減少水冷壁內(nèi)結(jié)垢。
    (2)調(diào)整好燃燒，使火焰均勻不偏斜，防止水冷壁管受熱不勻，水循環(huán)被破壞。
    (3)對(duì)受熱面進(jìn)行蠕脹和變形等情況的定期檢查。
    (4)對(duì)長(zhǎng)期存在過熱問題的受熱面，安裝熱工溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)督控制。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯(cuò)的選擇。