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摘 要

锅炉装置中由于堵管、水气分离、偏烧等问题，水冷壁管经常出现超温爆管导致的紧急停车，造成严重的损失，甚至人身伤亡事故。在进行事故分析时，如果能够通过爆管的微观组织判断出爆管时的超温温度，有助于查找爆管原因（比如如果超温温度较低，是长期轻微超温的结果，可能与锅炉给水不足所致，如果超温温度过高，可能与汽水分离或者堵管有关）。但是目前未见相关方面的研究。本课题拟通过实验的方法，对规格为Φ60×5mm，使用的材料为实际使用了约10年的20G水冷壁管，进行炉管化学成分分析、氧化膜厚度测定、常温及高温机械性能测试、金相检验。最后分析指出：炉管超温后，如果超温温度达到850℃以上，爆管后，由于锅炉水的极冷作用，将产生马氏体组织。否则，仍然保持铁素体 珠光体或者铁素体（白色） 高碳区域（灰色）的组织状态。这可以为炉管失效分析工作提供参考。

关键词：水冷壁管 超温爆管 金相检验 20G 珠光体

Preliminary Analysis of Temperature of Ultra-temperature Tube Bursting of Water Wall Tubes Based on Microstructure Analysis

Abstract

In boiler installations, due to the problems such as blockage of pipes, separation of water and gas, and partial burn, water-wall pipes often cause emergency shutdown due to over-temperature explosions, causing serious losses and even personal injury. During the accident analysis, if the overheat temperature at the burst pipe can be judged by the microstructure of the burst pipe, it is helpful to find the reason for the burst pipe (for example, if the over-temperature temperature is low, it is the result of a long-term slight over-temperature, possibly with boiler water supply is insufficient, if the over-temperature temperature is too high, it may be related to the separation of the steam or plugging the pipe). However, no relevant research has been done at present. This project intends to use experimental methods, the specifications for the Φ60 × 5mm, the use of materials for the actual use of about 20 years of 20G water wall tube, furnace tube chemical composition analysis, oxide film thickness measurement, room temperature and high temperature mechanical properties test, metallographic examination. Finally, the analysis pointed out that if the overheating temperature of the furnace tube exceeds 850°C, the martensite structure will be generated due to the extremely cold effect of boiler water after the tube explosion. Otherwise, the tissue state of ferrite pearlite or ferrite (white) high carbon region (grey) remains. This can provide a reference for furnace failure analysis.

Key Words：Water wall tube；Over temperature explosion tube；Metallographic examination；20G；Pearlite

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 锅炉水冷壁管材料及化学成分 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 锅炉水冷壁管的研究现状 2

1.3.2 20G钢的研究现状 4

1.4 锅炉水冷壁管常见的失效形式 5

1.5 结论 5

第二章 影响水冷壁管温度因素分析 7

2.1 水冷壁管的简介 7

2.1.1 水冷壁管工作原理 7

2.1.2 水冷壁管分类 7

2.2 水冷壁管超温形式简介 9

2.2.1 短时超温 9

2.2.2 长时超温 10

2.3 水冷壁管传热过程分析 10

2.3.1 烟气侧的换热过程分析 11

2.3.2 管壁和垢层内换热过程分析 12

2.3.3 工质侧换热过程分析 12

第三章 不同超温温度下水冷壁管急冷后的组织分析 14

3.1 引言 14

3.2 使用的材料及试验 14

3.2.1 材料 14

3.2.2 试验方法 15

3.3 实验分析结果 16

3.4 实验综合结论 28

第四章 总结与展望 29

4.1 总结 29

4.2 展望 29

4.3 经济成本分析 29

4.4 社会效益 30

参考文献 32

致 谢 35

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

长久以来，随着我国经济的快速发展，太阳能、核能、潮汐能、风能、生物能等清洁能源已经得到了充分的发展，但是由于我国技术的不成熟和我国多煤贫油少气的格局，清洁能源发电仍然占据着很小的比重，相比较火力发电在较长的时间内依然占据着主要地位[^[1]]。其中火力发电占我国火力发电总量的比例是80%左右[^[2]]。火力机组基本结构为锅炉、电机和汽机，在火电机组的三部件中，最重要的是锅炉。锅炉是把燃料中的电能、化学能作为输入，而有机热载体、蒸汽作为其输出的一种能量转换设备。随着我国的快速发展，电力作为清洁能源，大容量、零排放、高特性参数也成为电站锅炉的技术研究核心，而且锅炉的运行压力从高压到超临界压力之间的研究线路，也成为了不可阻挡的发展趋势。由于超临界、超超临界参数以上的机组，温度和压力都非常高，所以在运行过程中，由锅炉事故引起的非计划停机次数明显比较多[^[3]]。据统计，在我国火电机组炉管事故中，非计划停运的时间总和占整个机组的37.8%，而在美国仅为7%[^[4]]。随着锅炉机组运行的容量不断扩大（亚临界、超临界、超超临界）和逐渐的投入使用，锅炉内过热蒸汽的温度和压力等部分参数也相应增高，运行出现的问题也增多了，且随之发生锅炉“四管”（水冷壁管、过热器管、再热器管和省煤器管）的泄漏频率始终居高不下。据数据显示[^[5]]，锅炉“四管”失效事故占据锅炉所有事故的百分比为71.7%。锅炉“四管”作为锅炉本体的主要部件，为了保证锅炉稳定、安全、经济运行，减少发生“四管”泄漏的频率或者次数，就显得非常关键[^[6]]。NERC的资料表明[^[7]]，锅炉炉管故障导致机组强迫停机占据的比例为80%，其中40％是由于水管壁失效。在锅炉各类压力元件损坏事故中，水冷壁爆管率居首位，占锅炉事故总数的一半以上。

锅炉水冷壁加热面一侧是燃料燃烧产生的高温烟气，而另一侧是高温高压水和蒸汽，锅炉水中的参数和状态复杂多变，材料使用环境较差。结果，由于材料故障而导致的事故不时发生。因此，提高材料性能或者使用新材料、降低爆管率、预测爆炸和泄漏的趋势，对保证锅炉运行的安全性和经济性已成为当前关键而迫切的任务。因此，分析研究水管爆裂的原因是非常重要的，国内外关于这方面的研究也一直在进行。

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