一台循环流化床锅炉过热器系统大面积泄漏事故的原因分析一台循环流化床锅炉过热器系统大面积泄漏事故的原因分析郑磊(无锡华光锅炉股份有限公司)摘要:本文分析一台150t/h~温中压流化床锅炉的过热管系的集箱,管系的焊i:i,弯头,由于煮炉过程中操作不当,碱液进入了过热器系统,经过5O多个小时后,发现过热器系统的对接焊缝,角焊缝,弯头部位发生穿透型裂纹.本人认为是高浓度碱液引起应力腐蚀. 关键词:Na0H;煮炉;过热器集箱;过热器管系;裂纹;晶问腐蚀.1.前言.我公司承制的湖南某用户热电项目一台150t/h循环流化床锅炉,煮炉时过热器系统发生大面积泄漏事故.笔者受公司委派第一时间抵达现场,见证事故情况,随后代表公司参加由用户当地市技术监督局组织的联合调查组,全过程参与事故调查,取证,原因分析,修复方案讨论制订,修复后锅炉试运等一系列工作.本文记录上述工作过程,并浅淡事故原因一苛性脆化的成因与危害.2.锅炉概况简介(1)锅炉主要工作参数:额定蒸发量:150t/h额定蒸汽温度:450"C额定蒸汽压力(表压):3.82MPa给水温度:150~C锅炉排烟温度:≤150℃(2)锅炉结构简述:锅炉为中温中压,单锅筒横置式,单炉膛,自然循环,全悬吊结构,全钢架n型布置.锅炉运转层以上露天,运转层以下封闭,在运转层8.0m标高设置混凝土平台.炉膛采用膜式水冷壁,锅炉中部是蜗壳式汽冷旋风分离器, 尾部竖井烟道布置两级二组对流过热器,过热器下方布置三组光管错列省煤器及一,二次风各三组空气预热器.(3)过热器系统结构简述:锅炉采用对流过热器,并配以一级自冷凝喷水减温器的过热器系统.饱和蒸汽从锅筒由6根133×6的管子引至汽冷分离器环形上集箱,蒸汽经分离器膜式壁下行到下环行集箱后引至尾部包墙的前包墙管下集箱,随后上行, 到前包墙管上集箱,流经顶棚管到后包墙下集箱,再由转角集箱进入二侧包墙下集箱,再上行至侧包墙上集箱(包墙管均为~P51×5,15CrMoG),通过4根①159×6连接管引入吊挂管入口集箱,蒸汽再进入吊挂管管束,至低温过热器人口集箱进入低温过热器,低温过热器~P42×4,15CrMoG光管顺列布置.过热蒸汽从低温过热器出来后,进入喷水减温器通过调节减温水量进行减温,过热蒸汽经减温后进入高温过热器,高温过热器采用中38x4,15CrMoG管子.3.事故发生情况:2009年7月16日锅炉现场安装完成后在进入煮炉阶段5O多小时后过热器突然发生泄漏事故,停炉后初步检查发现高温过热器进口集箱上有约20%的管接头角焊缝,集箱管接与过热器管系约40%对接焊口(工地焊)以及30%炉外高温过热器管弯头出现裂纹或有泄漏痕迹,低温过热器出口集箱和低过管系也存在同样情况(如图l所示).当地市质量技术监督局,市特种设备检验检测所,湖南省特种设备检测中心相续介入事故调查工作,组织锅炉一30～建设单位,制造单位,安装单位对锅炉过热器系统进行全面检查(目视检查和无损探伤检查),发现裂纹或泄漏痕迹不同程度遍及吊挂管对接焊缝,低温过热器管子弯头,低温过热器管间固定卡焊缝处,高温过热器对接焊缝,高温过热器管子弯头,高,低温过热器进出口集箱,吊挂管集箱及侧包墙上,下集箱的接管角焊缝.图1低温过热器集箱,管系4.事故调查取证:符合国标GB5310-1995要求.鉴于本次事故的性质与锅炉受损的严重程 b.所有送检样管金相组织检验其非金属度,2009年8月4日当地市质量技术监督局主夹杂物均小于1.5级,晶粒度大于8级,脱碳层持的联合调查组事故分析会议决定,由锅炉建厚度管内外表面均小于0.2ram.,显微组织观察设单位,制造单位,安装单位三方委托湖南省特为铁素体+珠光体(或存在粒状贝氏体),符合种设备检测中心对此起过热器事故原因进行技标准要求.术鉴定,调查组各方按省特检中心的要求,做好c.金相观察存在泄漏痕迹的弯头,管内有受检配合工作.裂纹,基本沿晶界扩展分布.(1)取样化验分析d.金相观察存在裂纹的焊接接头,裂纹多①取样方式分枝,由根底向外表面扩展,基本沿晶界分布如取样对象:低温过热器管材(42X4图2所示.15CrMoG),高温过热器管材(38X4e.机械手段断开焊缝裂纹进行宏观观察,15CrMoG),吊挂管用材(51X515CrMoG)断口平齐,脆性开裂性质.取样部位:存在裂纹或有泄漏痕迹的集箱(2)工厂制造质量审查管接头,管子对接焊H,管子弯头;湖南省特种设备检测中心派员专程至我公未见缺陷的弯头;未见缺陷的直管.司对锅炉过热器系统的制造质量控制进行审取样数量:随机各取3套共45个管样查,检查内容包括:一套委托"湖南省黑色金属产品质量监督①资料审查:原材料质量证明(包括焊材, 检验授权站"检验;一套交由我公司化验;一含工厂复检报告),材质跟踪记录,焊接工艺(含套备查.焊接工艺评定),弯管工艺,施焊记录,焊工②检验项目:力学性能(屈服强度,拉伸强资格,焊接检验记录(含试件),焊后热处理度,伸长率);化学成份;金相检验(非金属夹记录,过热器尺寸检查记录(弯头壁厚,椭圆杂物,晶粒度,显微组织,脱碳层厚度)度),无损探伤报告(含RT底片),水压试验③试验情况与结果记录等等.a.所有送检样管其力学性能,化学成份均一3】～图2裂纹②就过热器设计结构与我公司设计人员进行问询交流,重点是热应力释放问题的设计考虑以及水容积的计算方法(涉及煮炉碱液浓度)(3)安装质量审查审查过热器现场安装的相关焊接工艺文件,焊材质量证明,施焊记录,焊工资格,无损探伤报告等资料(4)煮炉操作过程审查通过审查煮炉工作的相关工艺流程文件(锅炉安装和使用说明书,煮炉方案),煮炉记录及询问煮炉操作人员了解情况,湖南省特种设备检测中心认为:①煮炉所用药品(氢氧化钠,磷酸三钠),药配比,加药量,加药方法,碱度控制(炉水取样)基本符合要求.②事故前煮炉各阶段压力升降控制,温度变化,阀门开关控制,排污情况基本正常.③水位监控措施存在薄弱环节,煮炉时投用一台就地水位计(配备2台就地,2台电接点水位计),水位监视缺乏足够说明问题的有效见证资料,不能完全排除因假水位(水位计异物堵塞)而导致发生满水意外情况的可能.5.事故原因分析:以上项目与内容的调查工作实施,为剖析事故原因提供了有力佐证.首先,取样分析化验足以证明管材是合格的,管材质量问题可能应予排除.该锅炉为成熟产品,过热器结构布置为循环床炉之常见,热应力释放无碍.过热器工厂制造质量与工地安装质量受控状况正常,焊缝裂纹金相显示非延迟裂纹特征,再热裂纹也不具产生条件.因此,不同类型,不同规格的厂内焊缝与现场安装焊口同时大量出现裂纹缺陷,且弯头母材也有裂纹,施焊原因的可能性基本不存在.材料原因,结构原因,厂内制造原因,现场安装施焊原因可能性的逐一否决,为调查组进一步揭示事故真相,指明了方向.我们知道以前的铆,胀结构的锅炉因炉水碱度过高,超出允许限度,会在与炉水接触的铆接接缝或胀口处等应力集中的地方产生破坏性裂纹.这种裂纹称为苛性脆化.苛性脆化是金属一种特殊的腐蚀形式,由于引起这种腐蚀的主要因素是水中的苛性钠,使受腐蚀的金属发生脆化,故有此名.又因为这种腐蚀是沿晶间发生裂纹,也称晶问腐蚀.实践证明,锅炉发生苛性脆化具备一定的共性特点:一是炉水中氢氧化钠(Na0H)的浓度必须达到一定值,水质标准和锅炉规程都规定,为了防止发生苛性脆化,炉水的相对碱度不应超过0.2;二是容易发生在局部应力较高的应力集中处,;三是需具有一定的温度,一般情况低压锅炉为200~C,中压锅炉为250~C,高压锅炉为300~C. 从所掌握的本次事故的实际情况,对应上述苛性脆化产生的三个条件,我们来作进一步分析: ①介质条件碱液进入过热系统这是煮炉的大忌,任何一份煮炉方案都会有"注意且不允许药液进入过热器内"的规定要求.本次事故过热器泄漏处残留有一定的白色碱性结晶体,煮炉时曾发生满水的异常情况,因此碱液进入过热系统,蒸发后浓缩,不要说超过20%碱度,就是一32—100%都有可能.这是不争的事实.论研究,确定过热器系统的修复方案:更换全②应力条件套高,低温过热器管系;更换全部吊挂管;更苛性脆化以前常见于铆缝,胀口处,但不是换高,低温过热器集箱和吊挂管集箱上所有管说其它结构或部位就不会发生苛性脆化,只能接头(返厂检查)修理;更换侧包墙上,下集箱是相对而言铆,胀结构的应力更集中更大,就应的管接头(现场更换);所有更换件由用户向我力条件而论更容易发生罢了.焊缝与弯头存在公司购买.方案报经当地技监局审查后实施.着较大的残余应力,而碱液浓度越高则金属腐2009年l1月底完成过热器系统的修复工作,蚀破裂的敏感性越强,铆,胀结构在炉水的相对2010年1月锅炉Jl~,N通过72小时试运行,至今碱度超过20%时就有发生苛性脆化的可能,焊过热器系统再未发生泄漏事故.缝与弯头若需经受70%浓度以上的碱浸答案自7.总结然不言而喻.省特检中心对于事故原因的最终鉴定结论③温度条件是:锅炉煮炉时碱液大量进入过热器,过热器该炉煮炉时的过热器壁温约在260~C管金属受碱引起的应力腐蚀(苛性脆化)破裂失-300"C区间范围.效,导致发生泄漏事故.综上所述,苛性脆化产生条件的三个要素锅炉发生苛性脆化危害性极其严重,必须并不是孤立的,而是互为条件互相影响的.苛性高度重视.苛性脆化的预防方法:脆化可以看作是一种特殊的电化学腐蚀,是由(1)控制锅水的相对碱度.于晶粒和晶粒的边缘在高应力下发生电位差,一般认为,锅水相对碱度不应超过20%,否形成腐蚀微电池而引起的.这时,晶粒边缘的电则,会引起脆化.在运行中要坚持定期对炉水进位比晶粒本身的低得多,因而此边缘为阳极,遭行取样分析化验,发现碱度异常时要查清原因到腐蚀.当侵蚀性溶液(如含游离NaOH)和存并采取合适的化学预防方法,防微杜渐.在应力的金属相作用时,可以将处于晶粒边缘(2)防止锅炉部件产生附加应力.的原子除去,因而使腐蚀沿着晶粒间发展.苛性锅炉设计,制造,安装及使用维护中加强质脆化的发生除了有上述电化学过程外,阴极部控,采取合理措施消除变形与应力. 分放出的氢对于腐蚀的发展也起很大的作用:本事故发生于锅炉煮炉阶段.煮炉目的就因为氢容易扩散到金属中间和钢材中的碳,碳是用药液来清除锅炉受压元件和水循环系统内化物和其他杂质反应生成各种气体产物,而这部积,存的污垢,铁锈和油脂等附着物,确保受些气体物质在金属中不易扩散,因而产生附加热面清洁,保证锅炉的安全运行及锅炉的热效应力,使金属的结构疏松,促使裂缝发展.苛性率.新安装的锅炉在投入运行前,必须进行煮炉脆化的危险性就在于这种腐蚀发生的初期不容或化学清洗,因此,煮炉作为保障锅炉安全运行易发现,它不会形成溃疡点,也不会使金属变的一个主要环节,非常重要,必须严格按照标准形,变薄,而且一旦有了这种腐蚀时,金属遭到要求进行操作煮炉.破坏的速度会加速进行.研究表明应力腐蚀速参考文献:度一般在10—4cm/h至10cm/h的数量级范1.王守江"一台余热锅炉过热器管束断围内,当能观察到裂纹时,金属的损伤可能已达裂原因分析"(《热能动力工程》12卷97.3到严重的程度.该过热器温度高,浸碱浓度大,2.郑于贤"预防锅炉苛性脆化的几种方管壁薄,因此短短5O余小时过后过热器焊缝和法"《特种设备安全技术))2005年第四期弯头(苛I生脆化敏感部位)就发生裂纹泄漏是完3.孙连捷,张梦欣安全科学技术百科全全有理由的,并不难理解.书》(中国劳动社会保障出版社,2003年6月)6.修复方案与修复效果4.l3ot/h循环流化床锅炉运行规程》(试我公司与建设单位(用户)技术人员慎重讨行)一33—。