生物质锅炉炉管开裂失效分析

生物质锅炉炉管开裂失效分析 摘要针对某燃烧生物质锅炉炉管长期服役开裂失效的情况，通过化学成分分析、力学性能测试、扫描电镜、能谱分析及金相组织分析的测试方法，对开裂炉管进行取样，分析了开裂失效的原因。结果表明，烟气冲刷腐蚀是炉管减薄的主要原因；同时烟气和锅炉间歇工作导致露点腐蚀，使管壁集聚了大量Cl-和S2-，加剧了对炉管的腐蚀；炉管长期服役时的局部过热导致组织老化，造成部分区域力学性能下降，也是炉管失效的一个原因；最终导致炉管开裂的原因是炉管爆破失效。 引言 锅炉是现代工业中的主要设备之一，其安全稳定地运行是生产的重要保障，但是近些年锅炉事故频繁发生，不仅带来巨大财产损失；同时给从业人员的生命安全带来巨大威胁，因此对锅炉事故原因进行分析，进而采取相应的预防措施，保障设备的正常运行具有重要意义。 数据资料显示，炉管失效事故在锅炉事故中的占比在一半以上[1]，因为管道在运行过程中，受到内部介质和周围环境的影响，将不可避免地遇到各种影响管道性能和寿命的问题。国内外学者已经报道过许多导致炉管失效的原因[2-6]。何继业等[7]研究了结焦导致加热炉炉管爆裂的案例，并采用有限元模拟软件ABAQUS对结焦管进行模拟，探讨了结焦厚度对炉管的影响。谢庄元[8]研究一段失效炉管发现，炉管的向火面在长期高温烟气作用下，材料的化学成分逐渐发生改变，有害元素超标导致材料发生脆化。郑明光[9]则研究发现，在焦化加热炉中炉管的常见失效方式有热疲劳、热腐蚀和蠕变，同时还为炉管的安全性评价和剩余寿命预测提供了依据。除此之外，还有许多其他被报道的失效原因，例如局部过热[10-12]、电化学腐蚀[13]、冲刷腐蚀[14]、塑性变形[15]等。除了对失效原因进行研究，一些学者还从预防措施角度进行了研究，例如，景新[16]从数值模拟角度研究了高温烟气对炉管的冲蚀，并提出了预防措施；马贝贝[17]则从材质和流程等角度分析，提出了防止炉管失效的措施。 以上的案例多集中在炉管受热面发生失效的情况，本文则以某燃烧生物质的蛇管型锅炉向火侧和背火侧都发生开裂失效的情况为例，通过多种测试方式研究炉管失效的原因，为预防相应事故的发生提供参考和指导。 1概况 1.1失效炉管服役情况 发生失效的锅炉为型号YLW-14000M的燃烧生物质锅炉，制造日期为2014年4月。锅炉中央为火焰，四周墙壁上布置有盘管式炉管。设计压力1.4MPa，出油温度285℃，循环流量800m3/h。炉管材料为20G，管内流动介质为L-QC320型有机热载体。锅炉通过将燃料燃烧，产生火焰加热炉管内的有机热载体将热量带出，炉管的服役温度未知。失效的部位见图1中标注处。 经过调查，该锅炉与另外4台锅炉共用一套出油母管，根据生产所需热能的变化为生产装置供热，5台锅炉需要经常进行间歇性的停炉和切换。事故经过是工人正在进行停炉操作，一人对该锅炉进行关闭出油阀操作，旁通阀微开，发现炉膛内冒出黑烟，约数秒后右侧炉门处有火焰喷出，锅炉操作人员随即用消防水对起火锅炉进行了灭火操作，明火熄灭。 1.2检验方法 一根炉管的向火侧发生开裂失效，在保证裂纹完整的情况下，将失效管与上部相邻管切割下来，观察裂纹部位的宏观形貌；并取裂纹管与相邻管表面不同部位的表面附着物，利用Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪、岛津XRD-6100型X射线衍射仪、TESCAN MAIA3LMH型场发射扫描电子显微镜的EDS模组进行成分分析；在两管的不同部位取样制备金相试样，使用MA-200型倒置金相显微镜和扫描电镜观察金相试样；依据GB/T228.12010[18]要求，在两管失效与未失效部位加工拉伸试样，并使用MTS858型材料试验机对试样进行室温拉伸性能试验，同时，利用扫描电镜对试样断口进行观察。 1.3取样位置 将失效的管子标号为A管，将上部相邻的未失效管标号为B管，为进行测试，对管子不同区域的取样位置如图2所示。 将炉管划分为4个区域，分别为向火侧、背火侧、顶部以及底部。对A管在向火侧裂纹附近取10个试样，背火侧、顶部及底部各取3个试样，每一个取样点同时取表面附着物试样和金相试样；对B管，在向火侧没有裂纹，故只取3个试样，其他区域与A管相同，同样每个取样点取附着物试样和金属试样。在A管向火侧裂纹附近、背火侧和顶部各取6个拉伸试样，共18个试样，B管与A管相同取18个拉伸试样。 2测试结果与分析 2.1宏观形貌 将失效管截取下来后发现，背火侧也存在一条较短的裂纹，即背火侧失效也需要通过分析测试寻找原因。向火侧与背火侧失效处宏观形貌如图3所示。 向火侧裂纹经测量长度约为210mm，边缘呈锐边，部分区域边缘向炉管外表面翻折，裂纹及裂尖处的厚度平均值为0.500.52mm；背火侧的裂纹长度约为47mm，边缘也为锐边，测量时发现管径变化明显，向火侧和背火侧厚度减薄严重。从管侧面测量时，整管最厚处为顶部5.96mm，向火侧厚度减薄至最薄1.14mm，背火侧厚度最薄为1.22mm。管内径变化不大，管径变化主要由外部减薄引起。 B管上无明显裂纹，管径也有较明显变化，同样内径变化不大，主要是由外部减薄造成。从侧边测量，最厚处为顶部5.14mm，向火侧最薄处为2.08mm，背火侧最薄为2.78mm。对比两根管可知，相对出厂条件，两管各区域的厚度都有减小。管外壁有呈剥离状垢层，其结构比较疏松，内壁没有明显的剥离状垢层，如图3（a），（d）所示。取不同区域垢样进行测试，其厚度变化较大。 2.2垢样成分分析 为测试垢样是否为未燃烧的有机生物质，首先对垢样进行红外光谱分析，分析结果显示垢样中确存在有机物，但含量接近可检测下限，说明垢样中有机成分的含量极小，不是未燃烧的有机生物质；之后对垢样进行了XRD和EDS测试，检测化合物成分及元素含量。以裂纹处的一个试样为例，XRD测试情况如图4所示。 从图4中可以看出，主要峰值与KCl，NaCl和Fe2O3的特征峰对应良好，而其他峰多为背景干扰或强度较低，说明此试样中主要物质为KCl，NaCl和Fe2O3。之后对所有垢层试样进行统计，发现几乎所有的试样均存在以上三种物质，同时部分试样中存在K3Na（SO4）2，KFe2S3，Na2CO3等物质，说明试样中的化合物主要是Na，K的氯盐、硫酸盐和碳酸盐以及Fe盐、铁锈。 EDS测试能反映垢样中存在的元素与含量，因为测试样品较多，统计后将样品中主要元素的含量范围列于表1中，各元素之和不为100。 结果吻合较好。部分试样C含量较高的同时、Na，K，O含量较低，对比XRD和红外光谱数据，推测可能存在碳单质（例如炭黑）。这类试样主要集中在两管的背火侧，从表中还可以看出，背火侧试样的碳含量普遍较高。EDS数据中所有试样S，Na，K，Cl含量都较高，印证了XRD数据反映的氯盐及硫盐存在的情况。这主要是由于生物质锅炉以农林废弃物作为燃料，生物质燃料一般含较多的氯、硫等元素并含有大量水分。燃烧时氯元素会在一定条件下生成氯化物及少量的HCl[19]，硫元素则会生成SO2，SO3及少量H2S等[20