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摘要：水冷壁管爆裂问题对循环流化床锅炉系统的正常运行有非常严重的影响。本文以某电厂循环流化床锅炉水冷壁爆裂事件为例，分别从宏观形貌检查、金相分析、室温拉伸试验等方面着手，分析了循环流化床锅炉水冷壁管爆裂的原因，并在此基础上提出了预防循环流化床锅炉水冷壁管爆裂的措施，以供相关人员参考。
关键词：循环流化床锅炉；水冷壁管爆裂；金相分析；室温拉伸试验；氢损伤
某市第一热电厂采用循环流化床锅炉，该锅炉循环燃烧系统由流化床、返料装置、膜式壁以及高温旋风分离装置等构成，炉膛结构采用膜式水冷壁，过热装置采用三级布设方式，中间有二级喷水降温装置，尾部有三级省煤装置，以及一次、二次风预热装置。该锅炉炉膛内的膜式壁管材料主要采用直径为300毫米的钢管，以及宽20.5毫米、厚6毫米的扁钢。该循环流化床锅炉水冷壁爆裂问题出现在倒数第22根管道左右侧的水冷壁管，其具体位置在炉膛下段高于卫燃带80厘米的高热负荷区域，在爆裂现象发生时，该锅炉已经累计运行了27650小时左右。
1.爆裂壁管宏观形貌检查
通过对循环硫化床锅炉中隔墙水冷壁取样管的观察得知，爆裂问题发生在1号管段，该管段爆口外观为窗口状，边缘呈钝边，爆口边缘变薄，为厚唇型爆口，其轴向长260毫米左右（爆口宏观形貌见图1）。受爆裂影响的管段共有四根，其中3根管段的对接焊缝下部有环向裂纹，工作人员通过渗透探伤，从宏观角度检查了4根管段的内壁，发现内壁表面都存在垢层，垢层厚度为2.5毫米左右，相对较厚，并且十分坚硬。一些垢层已经从内壁脱落，垢层下部存在一定的腐蚀坑。
图1：循环硫化床锅炉水冷壁爆口形貌
2.爆裂壁管金相分析
工作人员相继从1号管段爆口位置和距爆口较远位置取样，从3号管段距离开裂位置较远部位取样，从4号管段截取试样。通过预磨与机械抛光之后，利用4%硝酸酒精溶液进行侵蚀试验，并利用金相显微镜对这些样品进行仔细观察，并据此进行金相分析：
第一点，1号管段距爆口较远位置、3号管段距离开裂位置较远部位、4号管段的金相组织都是铁素体+珠光体，并且珠光体具有较为明显的形态，没有出现显著球化现象，属于二级以下球化级别[1]。
第二点，通过显微镜对3号管段距离开裂位置较远部位、4号管段形貌进行认真观察后，得知这两个管段内壁一些区域表面附着的垢层存在脱落或开裂情况。在抛光状态下观察得知，垢层下方管段存在诸多微裂纹，并且绝大多数微裂纹处于封闭状态，受到4%硝酸酒精侵蚀后，这些裂纹呈沿晶分布。
第三点，通过观察发现1号管段爆口位置的金相组织并没有显著的球化现象，从抛光状态下观察，得知该管段爆口位置有诸多微裂纹存在，并且绝大多数微裂纹处于封闭状态，受到4%硝酸酒精侵蚀后，这些裂纹呈沿晶分布，同时这些微裂纹周边存在脱碳问题。
第四点，对1号管段对接焊缝开裂位置的焊缝进行观察后，发现其金相组织无异常，没有气孔以及焊接缺陷存在。开裂位置母材侧金相组织无显著球化现象。该管段开裂位置的主裂纹主要源自管段内壁，开裂位置主要围绕焊缝熔合线，主裂纹属于沿晶裂纹，周边有诸多沿晶微裂纹，并且这些裂纹周边都存在脱碳问题。
第五点，1号管段爆口位置、1号管段对接焊缝开裂位置以及3、4号管段中，沿晶微裂纹都呈现出氢损伤特点，属于氢损伤裂纹。
3.爆裂壁管室温拉伸试验
工作人员分别对1号管段、2号管段以及4号管段进行取样，并相应开展室温拉伸试验。试验结果显示，1号管段的一个拉伸试样的断后延伸率比相关标准要求低，并且该试样抗拉强度也明显低于其他试样。2号管段的一个拉伸试样的断后延伸率以及抗拉强度都明显比标准要求低，而剩余试样拉伸性能相关各项指标都达到了标准要求。
工作人员对1号管段断后延伸率低以及此项指标满足标准要求的拉伸试样，进行了拉伸断口扫描电镜分析，具体结果如下：
第一点，1号管段中断后延伸率相对较低的拉伸试样断口内侧，具有明显的脆性断裂特征，断面能够看到较多沿晶二次裂纹存在，而断口外侧具有明显的塑性断裂特征，断口的微观形貌呈现为韧窝。
第二点，1号管段中断后延伸率达标的拉伸试样断口内侧和外侧的微观形貌都呈现为韧窝，断口都具有明显的塑性断裂特征。
第三点，将拉伸断口扫描电镜分析结果与金相分析结果结合起来，能够得知1号管段与2号管段中一些试样的拉伸性能普遍要比标准要求低，这种情况产生的主要原因在于管段内壁有氢损伤微裂纹存在。
4.循环流化床锅炉水冷壁管爆裂原因综合分析
从该循环流化床锅炉水冷壁爆裂相关管段的宏观外貌检查、金相分析以及室温拉伸试验分析结果可以判定，该锅炉水冷壁爆管主要是垢下腐蚀导致的氢损伤爆管类型。
在某些因素影响下，循环流化床锅炉水冷壁管内会出现积垢现象，垢层位置的夹杂高度浓缩，导致出现腐蚀现象，进而造成管壁出现垢下腐蚀问题。氢原子浓缩在积垢中，受到高温与压力影响，会附着在管内壁金属表面，然后顺着晶界往金属内部发展，同金属内往晶界发展的碳化物发生反应，并生成甲烷，从而造成金属管壁出现脱碳现象。在晶粒之间，甲烷逐渐集中起来，同时产生较强的内应力，从而造成晶间发生开裂现象，进而导致诸多微裂纹的形成。这种氢损伤不断发展，大量微裂纹在增长过程中逐渐连城一体，最终形成宏观裂纹，导致管壁发生脆性断裂，继而出现爆管问题。
部分管壁存在一定的对接焊缝，因这些焊缝的内壁较为凸出，介质流通面积会在焊缝位置出现改变，从而造成该部位非常容易出现积垢。本文循环流化床锅炉的4根管样，在对接焊缝位置的内壁周圈都附着有垢层，并且部分构成已经脱落。锅炉内介质流动是从下往上的过程，而在对接焊缝下部区域，介质流动受到阻碍，很容易在焊缝内壁突出的下端根部出现死区，从而造成这个位置的温度相对较高，进而加剧了结垢与腐蚀现象，并逐渐出现氢损伤，最终造成对接焊缝下部位置有环向裂纹产生。
5.循环流化床锅炉水冷壁管爆裂的预防措施
第一点，工作人员应及时更新或加固循环流化床锅炉的水冷壁，在大修过程中将一些磨损较为严重的水冷壁管段更换掉。同时，工作人员可对输煤系统破碎机性能进行合理调整，对振动筛孔径大小进行科学改进，以确保锅炉用煤颗粒度的均匀性。另外，发电厂可根据实际情况适当更换煤种，以减少颗粒物料对水冷壁的磨损。
第二点，合理调整锅炉运行参数。首先，水冷壁磨损冲蚀量与多相流体速度存在相应的比例关系，工作人员可在锅炉运行过程中将一次风量合理降低，以降低炉内边界层颗粒浓度，进而在一定程度上达到减轻水冷壁磨损的目的[2]。
第三点，加大二次风量，以延长物料颗粒在锅炉内部的停留时间，提高物料燃烧效率，并提高炉内径向部位的扰动频率，促使炉内边界层颗粒团原有动力特性发生改变，从而减轻水冷壁磨损。
第四点，工作人员可把料层压差适当降低，而床温则可适当提升50℃左右，以使风速下降，从而减小了循环物料浓度，使磨损速度进一步降低[3]。
第五点，工作人员应立足汽水分析数据，对连续排放阀开度进行合理调整，并定期进行排污。另外，工作人员还可利用防腐阻垢剂等对锅炉进水质量进行严格控制，以充分保证炉水品质。
第六点，在锅炉排渣方面，工作人员从过去的集中大量放渣方式，转变为少量连续排渣方式，以尽量降低下渣管热胀冷缩频率，并且还能防止集中放渣过程中，下渣口区域沟流问题的产生，从而确保物料燃烧与流化的稳定性与可靠性。在下渣管道堵塞的情况下，工作人员不能利用锤子对下渣管进行猛击，以免焊缝遭到破坏、渣管发生变形，可用扁铁从捅渣口插入下渣管，通过多次抽插将堵塞部分疏通。
第七点，在启停锅炉的过程中，工作人员应根据相关规范严格操作，对升降温速度进行合理控制，特别在开车初期阶段，一定要缓慢升温，将床层温度上升速度控制为每分钟3℃，炉墙温度上提深度控制在每小时105℃，以防止锅炉升温过快导致其迅速膨胀而对锅炉水冷壁产生应力损害。
第八点，在锅炉系统运行中，工作人员要对锅水的酸碱度、含盐量等进行严格控制，必要情况下可对锅水采取净化措处理措施。
6.结语
总之，加强对循环流化床锅炉水冷壁管爆裂原因的分析，有助于工作人员快速判定爆裂影响因素，并及时采取有效措施，以便于在最短时间内恢复循环流化床锅炉的正常运行。同时，对循环流化床水冷壁管爆裂原因的分析，还能促使工作人员针对各种影响因素，采取合理的预防措施，不仅能充分保证水冷壁管的安全，还能有效提高锅炉运行效率，降低锅炉物料消耗。所以，工作人员必须高度重视循环流化床锅炉水冷壁管爆裂问题，通过外部观察、金相分析以及室温拉伸试验等方式，深入分析并有效判定爆裂原因，以提高循环流化床锅炉水冷壁管爆裂问题的处理效率。
参考文献：
[1]贾若飞，周理杰，李梁，等.循环流化床锅炉水冷壁布风板管爆管失效分析[J].锅炉技术，2017，48（1）：29-31.
[2]薛永涛.循环流化床锅炉水冷壁磨损机理及控制措施浅析[J].石油化工应用，2018，37（3）：141-143.
[3]殷常亮，毕加佳，廖庆，等.循环流化床锅炉水冷壁磨损原因及防治[J].大氮肥，2017，40（1）：30-33.