摘 要:對某電廠循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的鼓包爆管事故進行了化學成分、力學性能、金相檢驗 和能譜分析,結(jié)合管道及聯(lián)箱檢查對失效管道進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:失效管道的化學成分和力 學性能均符合標準要求,金相檢驗結(jié)果也未見明顯異常;在管道及聯(lián)箱中發(fā)現(xiàn)了異物堵塞和多處鼓 包現(xiàn)象,數(shù)值模擬、強度校核證實了異物堵塞是造成爆管的直接原因,同時發(fā)現(xiàn)失效管道堵塞時向 火面的局部溫度為550~730 ℃。 

關(guān)鍵詞:鍋爐水冷壁;爆管;異物堵塞;數(shù)值模擬 

中圖分類號:TG115.5                           文獻標志碼:B                                  文章編號:1001-4012(2022)06-0066-04

鍋爐受熱面是鍋爐熱量交換的載體,其長期處 于高溫、高壓的工作環(huán)境,容易受到各種因素的影響 而出現(xiàn)失效現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計,在鍋爐的失效事故中, 70%均為受熱面失效[1]。受熱面失效的主要原因有 長時或短時溫度過高、腐蝕、疲勞、結(jié)垢、磨損等,且 這些失效的受熱面都有較為明顯的特征和失效機 理[2],大量文獻對這些受熱面失效的原因進行了分 析[3-7],但對于異物堵塞造成的受熱面失效的研究 較少。 

某電廠發(fā)生爆管的鍋爐為 CFB(循環(huán)流化床) 鍋爐。水冷壁爆管口位于該鍋爐前墻,水冷壁管設(shè) 計材料 級 別 為 SA210A-1 級,規(guī) 格 為 50.8 mm× 4.19mm(外徑×壁厚),水冷壁工質(zhì)進口壓力為13 MPa,進口溫度為292℃,爆管前水冷壁管已累計運 行了63571h。

由鍋爐車 間 提 供 的 數(shù) 據(jù) 可 知:該 鍋 爐 近 半 年 未 發(fā) 生 過 超 負 荷 運 行,半 年 平 均 負 荷 率 為 74.85%;鍋爐給水為母管給水,切泵時未發(fā)生過給 水壓力不足 的 現(xiàn) 象;鍋 爐 水 冷 壁 管 無 壁 溫 監(jiān) 測 系 統(tǒng);鍋爐底部 床 層 和 爐 膛 煙 氣 出 口 處 設(shè) 有 溫 度 監(jiān) 測系統(tǒng),底部床 層 溫 度 為 850~910 ℃,爐 膛 煙 氣 出口處溫度約為880 ℃。

為查明該鍋爐水冷壁爆管的原因,筆者對失效 管及其相鄰管進行了理化檢驗,并對傳熱過程進行 了數(shù)值模擬。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

爆管現(xiàn)場照片如圖1所示,其中 b管為失效管 道,a,c管為其相鄰管道。對水冷壁外管墻面進行 觀察,發(fā)現(xiàn)在爆口處附近外墻面的紅棕色保護墻變 黑,這是因為爐管外墻面遇到爆管泄漏的水后在高 溫下變黑,觀察外墻面并沒有明顯腐蝕或者磨損現(xiàn) 象,表明煙氣側(cè)未發(fā)生故障。與爆管相鄰的a,c管 外壁存在明顯的溝槽狀沖刷痕跡,靠近爆口側(cè)的溝 槽邊緣較為圓滑,遠離爆口側(cè)的溝槽有明顯棱角,說 明溝槽是b管泄漏后工質(zhì)向兩側(cè)沖刷引起的。

爆口的宏觀形貌如圖2所示,由圖2可知:爆口 位于水冷壁管向火面,經(jīng)測量,爆口長為60mm,寬 為25mm,呈喇叭口狀,邊緣明顯減薄,爆口略偏離 管子中心軸線,整體呈塑性開裂特征,爆管外表面無 明顯沖刷痕跡,同時內(nèi)、外壁氧化皮厚度較薄,且在 爆口附近沒有看到平行于爆口的縱向裂紋。進一步 對爆口邊緣進行壁厚測量,在爆口上側(cè)沿順時針方 向 測 量 一 周,發(fā) 現(xiàn) 爆 口 邊 緣 的 最 小 壁 厚 僅 為 1.2mm,位于左側(cè)凸起的中間部位。

對b管爆口部位及c管的相同位置取樣進行剖 管檢查(見圖3),由圖3可知,b管向火面內(nèi)壁存在 明顯的氧化皮剝離痕跡,有氧化皮脫落留下的凹陷 和孔洞,c管向火面內(nèi)壁呈紅棕色,表面較為光滑, 無腐蝕跡象。 

1.2 化學成分及力學性能測試

b管的化學成分如表1所示,符合標準 ANSI/ ASTM A210—1996《鍋爐和過熱器用中碳素無縫 鋼管規(guī)范》的要求。在b管距爆口處上、下未鼓包區(qū) 域各截取一段爐管,以加工力學性能試樣,分別對向 火面和背火面進行力學性能測試,結(jié)果如表2所示。 測試結(jié)果表明,這些部位的斷后伸長率、屈服強度、 抗拉強度、硬度等均符合標準 ANSIASTM A210/ A210M 的要求。

1.3 金相檢驗與能譜分析 

b,c管的顯微組織如圖4所示,由圖4可知:爆口處為正常的鐵素體+珠光體,珠光體球化程度為 2.5級,未出現(xiàn)魏氏組織或貝氏組織,說明在爆管前 溫度未達到 SA210A-1 鋼 的 臨 界 溫 度 730 ℃。同 時,珠光體呈與爆口方向一致的縱向線性分布。b 管遠離爆口處微觀形貌和c管的微觀形貌都為正常 的鐵素體+珠光體,由于爐管長時間運行,因此也存 在2.5級的輕度球化現(xiàn)象。 

b,c管內(nèi)壁產(chǎn)物的能譜分析(EDS)結(jié)果如表3, 4所示,由表3,4可知:b管內(nèi)壁產(chǎn)物主要含有鐵、氧 元素,還有少量碳、鈣等元素;結(jié)合 X 射線衍射儀對 b管及c管內(nèi)壁產(chǎn)物進行成分分析,發(fā)現(xiàn) b管內(nèi)壁 產(chǎn)物主要為Fe3O4,c管內(nèi)壁產(chǎn)物主要為Fe2O3。由 于沒有發(fā)現(xiàn)大量氯離子和磷酸根離子,且在以往的 水質(zhì)檢測記錄中,爐水的pH 為9~11,因此排除了 給水品質(zhì)不合格的影響。 

1.4 管道和聯(lián)箱檢查 

在對管道其余部位進行檢查時,發(fā)現(xiàn) b管和未 爆爐管的向火面均出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象(見圖5)。對b管 所在的下聯(lián)箱進行內(nèi)窺鏡檢查,發(fā)現(xiàn)在周圍水冷壁 管入口處卡著一塊異物(見圖 6)。異物尺寸約為 40mm×40mm×20mm,其主要成分為 CaCO3 和 Ca3(PO4)2。

2 基于FLUENT軟件的傳熱模擬分析 

2.1 傳熱過程 

傳熱過程大致分為以下3個部分。

(1)爐膛內(nèi)部高溫煙氣對水冷壁壁面的傳熱。 發(fā)生爆管的是水冷壁管,因為煙氣流速較慢,對壁面 的對流換熱量不大,主要以熱輻射為主。有研究表 明:水冷壁熱輻射產(chǎn)生的換熱量占總換熱量的95% 以上[8],因此在模擬時只考慮壁面熱輻射的影響,換 熱量主要取決于爐內(nèi)煙氣的溫度。

(2)爐管內(nèi)壁的熱量傳遞方式為熱傳導,其速 率與爐管材料的導熱系數(shù)有關(guān)。 

(3)水冷壁管壁內(nèi)部工質(zhì)的傳熱情況較為復 雜,受固體物堵塞的影響,既有工質(zhì)與管道、工質(zhì)與 堵塞物的對流換熱,也有堵塞物與內(nèi)壁面的熱傳導, 同時堵塞物的具體形狀和其在內(nèi)壁中的堵塞情況也 不明確。 

2.2 傳熱模型及邊界條件 

對外徑為50.8mm,壁厚為4.19mm 的管道及 其實際鰭片進行建模,對堵塞異物進行等體積簡化, 同時模擬爆管時異物卡住的情形。在爐管內(nèi)壁與固 體堵塞物接觸面處,由于接觸面積較小,因此將堵塞 物與接觸面的接觸狀況簡化為點與面的接觸,管道 傳熱模型如圖7所示。

水冷壁的進口壓力設(shè)置為13MPa,進口溫度設(shè) 置為292 ℃,出口為自由出口。流化床爐內(nèi)溫度低 于一般鍋爐,由溫度檢測系統(tǒng)可得,底部床層溫度為 850~910 ℃,爐膛煙氣出口處溫度約為880 ℃,因 此設(shè)定水冷壁及其鰭片的向火面一側(cè)為受熱壁面, 其熱量來自于880 ℃的熱輻射。

2.3 模擬結(jié)果 

爐管穩(wěn)態(tài)時的溫度分布數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所 示,由圖8可知,爐管向火面的溫度為559~879℃。 當水冷壁溫度為 550 ℃ 時,其 對 應(yīng) 的 許 用 應(yīng) 力 為 12.7MPa [9],小于水冷壁的工作壓力 13 MPa。即 在異物堵塞的局部范圍內(nèi),由于這部分壁面溫度升高,因此其受到的應(yīng)力大于許用應(yīng)力。

3 綜合分析 

結(jié)合內(nèi)壁產(chǎn)物成分分析與水質(zhì) pH 檢測,爆管 原因并非為給水品質(zhì)不合格。b管向火面爆管處的 氧化皮脫落,其他管壁表面較為光滑,b管內(nèi)壁產(chǎn)物 主要為 Fe3O4,其他管壁內(nèi)壁產(chǎn)物主要為 Fe2O3,這 是因為向火面局部高溫導致致密的 Fe2O3 氧化層 轉(zhuǎn)化為疏松多孔的 Fe3O4 氧化層。

根據(jù)強度校核及數(shù)值模擬結(jié)果,可推測爆管時 爆口附近向火面溫度超過550 ℃,綜合推測爆管時 向火面溫度為550~730 ℃。

結(jié)合數(shù)值模擬可知:異物存在于爐水循環(huán)管道 中,隨著工質(zhì)的流動,在可能位置發(fā)生堵塞現(xiàn)象,而 堵塞造成爐水流通不暢,管壁局部溫度過高導致工 作壓力超過 550 ℃ 時,對應(yīng)溫 度 下 的 許 用 應(yīng) 力 為 12.7 MPa,在壓力及堵塞物的共同作用下,爐管出 現(xiàn)鼓包現(xiàn)象,爐管管壁壁厚減薄,管內(nèi)體積增大,異 物脫離并滾落至下一個堵塞點,循環(huán)這個過程,直到 爐管管壁承受不住壓力發(fā)生爆管。 

4 結(jié)論

(1)爆管的化學成分和力學性能均符合標準要 求;內(nèi)壁產(chǎn)物的化學成分與水質(zhì)檢測記錄表明爆管 原因與給水品質(zhì)無關(guān)。

(2)爆管和其他管道均出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象,且在下 聯(lián)箱的管道入口處發(fā)現(xiàn)有固體異物堵塞,故推測固 體堵塞物是造成這次爆管的根本原因;異物堵塞后 的工質(zhì)流通不暢,引發(fā)的局部溫度過高以及堵塞物 對管道擠壓作用是造成這次爆管的直接原因。

(3)結(jié)合上述理化檢驗和傳熱模擬分析,可發(fā) 現(xiàn)管道局部溫度對應(yīng)的許用應(yīng)力低于工作壓力,證 實了這次爆管原因為異物堵塞。

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<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 6期 (pp:66-69)>