陈祥龙 曹福想
广东省特种设备检测研究院佛山检测院 广东佛山 528000
摘要：阳春新钢铁公司转炉连铸工程120t转炉烟气冷却系统中固定烟罩内的多条受热管频繁发生蒸汽泄漏失效的原因，对样品进行裂口宏观形貌分析、材质分析、壁厚测定、金相检验、扫描电镜和能谱分析等项目分析，并结合该锅炉水质化验结果进行分析，经分析得知该受热管开裂主要是低周热疲劳应力腐蚀导致开裂。
关键词：余热蒸汽锅炉；横向开裂；低周热疲劳
一、引言
2014年8月，阳春新钢铁有限责任公司转炉连铸工程120t转炉烟气冷却系统中固定烟罩内的多条受热管频繁发生蒸汽泄漏事故导致紧急停炉，给该厂的正常运行带来较大影响。
该转炉烟气冷却装置把烟道作为余热蒸汽锅炉，吸收转炉冶炼过程中的高温烟气余热使其降温，以便满足下一步除尘及煤气回收的要求，保证转炉炼钢的安全要求。该余热锅炉额定蒸发量为120t/h，设计压力为2.45MPa，设计温度为250℃，介质为饱和蒸汽，工作温度为192~234℃，转炉炉口排出的炉气温度约为1450℃。烟道部分分为固定烟罩、I段烟道、II段烟道、尾部烟道，烟道内轴向整圈布置有受热管。固定烟罩曾于2014年4月进行受热管全部更换维修。
经停炉检查发现，发生泄漏的管子为炉后侧固定烟罩内进口联箱上方加料口后方位置的受热管。为弄清受热管发生蒸汽泄漏失效的原因，以便采取有效措施避免再次发生同类事故，阳春新钢铁有限责任公司委托广东省特种设备检测研究院佛山检测院对发生泄漏的受热管进行失效分析。广东省特种设备检测研究院佛山检测院对对送来的样品进行裂口宏观形貌分析、材质分析、壁厚测定、金相检验、扫描电镜和能谱分析等技术检测，结合该炉运行工况特点和水质化验，得出了受热管开裂失效的主要原因，并给使用单位提出了相应的意见和建议以供参考。
二、事故概况
2014年8月，阳春新钢铁有限责任公司OG系统中的转炉汽化冷却装置中的固定烟罩内频繁发生泄漏事故。经停炉进行检查发现，固定烟罩内有多根受热管出现横向裂纹导致蒸汽泄漏，发生开裂的受热管位于16.3~18米标高的炉后侧，规格为φ51×5mm，材质为20G，受热管失效位置见图1。
上述数据为样品A裂纹表面腐蚀物的能谱分析，从谱图和元素含量可知，裂纹表面腐蚀物主要成分为MgSiO3、CaSiO3和氧化铁。
上述数据为样品B裂纹未清洗前的水垢成分的能谱分析，从谱图和元素含量可知，水垢的主要成分为CaSiO3、MgSiO3、Ca3（PO4）2和氯化盐等盐类。
从能谱分析可知，管壁内表面的水垢成为主要为CaSiO3、CaCO3、MgSiO3、Ca3（PO4）2等盐类，且含有Cl—、Zn2+，说明炉水中含有较多的Ca2+、Mg2+、Cl—、Zn2+等离子。
3.5 水质分析
用户提供的水质化验报告显示，锅炉炉水水质不稳定，PH值、总碱度、总硬度、悬浮物等指标经常连续多日超标。除盐水PH值、总硬度、总碱度、电导率也经常超标。
四、受热管开裂原因分析
4.1 受热管裂口特征
从以上分析我们可知，送检受热管裂口具有以下特征：
（1）裂口为横向穿透性裂纹，裂口不长，均为12mm左右。
（2）受热管材质未发现异常，符合GB5310标准规定要求。
（3）金相分析显示受热管外壁珠光体轻度球化，晶粒未出现明显的过热、变形、脱碳等特征，受热管内壁金相组织正常。
（4）扫描电镜显示裂口为疲劳裂纹，裂源起源于内壁，向外壁扩展直至穿透。
（5）裂口外壁无明细腐蚀、磨损，内壁附有一层白色的水垢，经能谱分析，水垢成分主要为CaSiO3、CaCO3、MgSiO3、Ca3（PO4）2等盐类。
4.2 受热管开裂原因分析
转炉烟道由于运行工况周期性急剧变化，工作条件十分恶劣，使用寿命普遍很短，主要是因为转炉冶炼工艺操作具有周期性，同时转炉烟气温度高，最高温度可达1500℃以上，烟气量大，含尘量多，具有毒性和爆炸性。热负荷频繁急剧变化引起的氧化和交变热应力因素导致烟道内受热管使用寿命后期经常会出现漏水，漏水钢管破口处特征为：在受热管上会出现横向裂纹，直至破裂，发生蒸汽泄漏。
由于横向裂纹属于低周热疲劳裂纹，根据使用单位的使用经验，该固定烟罩内的受热管一般经受105次热交变循环（约1万小时）后才会经常出现横向裂纹而失效，但本次受热管只经受2000次热交变循环（约2000小时）即频繁出现横向裂纹，且裂纹出现在直管段，固定烟罩安装时也按设计要求进行了整体退火，因此可排除材质选材不当和安装质量问题。
根据送检样品检验结果和水质化验记录，我们认为本次受热管短期内出现横向裂纹的原因除了转炉冶炼工艺操作产生的交变热应力外，还有以下两个主要原因：
（1）烟道冷却水供水质量差
虽然用户使用的给水为除盐水，但裂纹表面的垢样分析结果显示，炉水内含有较多的Ca2+、Mg2+，还有少量Cl?、Zn2+，由于水质硬度高，给水中的Ca2+、Mg2+极易在热负荷大的部位产生结垢，不断增厚的水垢使得20G管材的导热系数变差，大大降低管壁的散热系数，导致热负荷波动对管壁温度和内外壁温差影响较大。当热负荷提高时，管内外壁温度和温差明显提高，结垢量的增加也会提高内外壁温差，同时将加大管壁的阻尼，降低介质的流速，使水循环的自动补偿功能下降。给水中Cl?、Zn2+的存在使得受热管内壁较易引起氧化和应力腐蚀，使得内壁产生较多的浅裂纹，一旦出现微裂纹，转炉工况的低周循环使受热管向火面产生的周期性热交变应力造成的热疲劳破坏，会使裂纹不断的扩展、长大，裂纹扩展至超过临界尺寸而失稳导致水冷壁管开裂泄露。
（2）排污不及时或排污量少
由于水质化验结果显示，除盐水和炉水PH值经常超标，碱度过大，运行一段时间后如果不及时排污，进水联箱上方的受热管由于水蒸汽的不断蒸发而使得管内OH?浓度不断增加，高浓度的OH?渗入受热管内壁的裂纹内，极易发生苛性脆化，加速裂纹的扩展直至穿透性破裂。
五、结论
综上所述，送检样品受热管开裂主要是低周热疲劳应力腐蚀开裂。
六、建议和意见
根据受热管开裂的原因分析，我们提出以下建议供参考：
（1）严格执行软水标准，加强水质监控力度，确保给水和炉水符合相关水质标准规定，保证给水和炉水各项指标稳定，减少烟道内管壁结垢以免影响传热效果。
（2）改善排污方式，生产期间，正常执行排污制度。
参考文献：
[1]中国钢铁工业协会，GB5310-2008高压锅炉无缝钢管[S].北京：中国标准出版社，2008.
[2]中国钢铁工业协会GB/T13299-1991钢的显微组织评定方法[S].北京：中国标准出版社，1991.
作者简介：
陈祥龙 出生年：1973.10.24 性别：男 民族：汉 职称：工程师，主要研究方向：电站锅炉
论文作者:陈祥龙,曹福想
论文发表刊物:《基层建设》2016年3期
论文发表时间:2016/5/31
标签：裂纹论文; 转炉论文; 裂口论文; 水垢论文; 金相论文; 水质论文; 横向论文; 《基层建设》2016年3期论文;