工业锅炉鼓包分析及处理建议

一例工业锅炉鼓包分析及处理建议
武汉市锅炉压力容器检验研究所 张权良

摘 要：对锅筒鼓包进行宏观检验和取样检验，分析鼓包原因并提出修理建议。
关键词：鼓包，球化，脱碳，修理

锅筒是锅炉上重要的受压元件和传热元件，如果锅筒底部直接承受高温负荷，加之内
部沉积水垢、水渣，工作条件将十分恶劣，极易产生鼓包和裂纹等缺陷。某塑胶厂一台型
号为：DZG2-0.7-AⅢ的锅炉，使用单位在锅炉运行中发现锅筒底部鼓包。该锅筒材质：20g，
板厚：10mm。
一、锅炉锅筒鼓包宏观检验
鼓包位置：锅筒前筒体底部距前后筒体环缝 220mm 处，变形面积 350×280mm，鼓包高
度55mm，鼓包顶端有长约20mm裂口。
锅筒内有结垢现象，厚度0.5~2.5mm，底部最厚2.5mm。鼓包的受热面氧化较严重，甚
至出现剥落的现象。
二、取样检验
将鼓包处的钢板整体割下，分别在鼓包的裂口处和鼓包起始处取样进行金相检查和硬
度检测以及材质检验。
1．金相组织。金相检查采用的侵蚀剂均为 4%硝酸酒精溶液，检验结果如图 1～图 4所
示。

图1 鼓包起始处金相组织 200倍 图 2 鼓包起始处金相组织 500倍 事 故 分 析
8

图3 鼓包开裂处金相组织 200倍 图 4 鼓包开裂处金相组织 500倍
由金相结果可以看出鼓包起始处的金相组织为铁素体+珠光体，珠光体形态明显，但区
域中的碳化物无明显扩散现象，属于二级球化。铁素体的晶粒度为八级。
鼓包开裂处的金相组织为铁素体+珠光体，珠光体形态消失，但区域中的碳化物已经逐
渐长大，逐渐向晶界扩散并沿晶界成链状分布，属于四级球化，铁素体的晶粒度为 7~8级。
从以上金相组织结果表明，锅筒鼓包处显微组织发生了变化，虽然鼓包起始处和鼓包
开裂处的晶粒度区别不大，但两处的球化程度有较大区别。
2． 硬度。 对两处试样（受热面）进行硬度检测，结果是鼓包起始处的平均硬度为 119HB，
鼓包开裂处的平均硬度为104HB。
3． 材质。 在两处取样进行化学成份试验，两处取样的主要化学成分结果与 GB/713-1997
中 25mm 以下厚度的 20g 钢板的技术要求见表 1。由表可见两处的主要化学成分区别不大，
但是两处的含碳量均偏低。
表1 化学成份试验结果

三、讨论与分析
从锅筒内有较严重结垢现象表明锅炉给水品质不符合 GB1576-2001《工业锅炉水质》 ，
导致锅筒底部结生水垢太厚，因水垢的导热系数仅有钢板导热系数的四十分之一到近百分
之一，大大降低金属的导热性能。相当在炉水和热面金属壁之间加上了一个绝热层，当锅
筒钢板受到炉膛辐射热后，锅筒底部钢板向炉水的传热产生了严重阻碍，使锅筒底部钢板 事 故 分 析
9
得不到有效地冷却，大大降低甚至消除了炉水对金属壁的冷却保护，金属壁面温度必然会
急剧升高直至过热变形破坏[1]
。鼓包受热面出现可剥落的氧化层也表明此处受热过高。
通过以上试验，鼓包处金属材料受热过高导致了以下三个方面的结果：
1． 受热过高直接导致金属强度下降。
金属在在一定使用温度下会随使用温度的升高其强度会降低。这是因为金属材料由金
属原子组成，温度上升，其原子活动更加剧烈，其组织结构就表现出不稳定性，因此受到
外力就容易变形，强度也就下降。例如 20号钢在 250℃时抗拉强度为 470Mpa，而500℃时，
其抗拉强度只有100MPa左右。因此锅筒结垢严重处的金属受热过高直接导致强度降低而失
效。在锅内介质压力作用下锅筒就会在底部结垢部位发生鼓包，
2．金相组织球化导致金属性能下降
通过上述试验结果可知：
鼓包起始处和鼓包开裂处的金相组织虽然均为铁素体+珠光体，而且二者铁素体的晶粒
度区别也不大，但是后者球化更为严重，这可能因为锅筒内存在水垢，造成鼓包局部受热
不均，且受热过高致使组织球化加剧。
20g珠光体球化不仅会导致其蠕变极限会下降 25%左右，而且其它的性能也会降低，参
照 DL/T674-1999（中华人民共和国电力行业标准-火电厂用 20 号钢珠光体球化评级标准）
可知20号钢在未球化、2级球化、4级球化时对应的常温性能如表2。

表2 不同球化等级下 20g的常温机械性能

3．在过热条件下工作致使金属脱碳，从而使金属硬度强度降低
试验结果表明两处的化学成分虽然符合 GB/7143-1997，但是含碳量偏低，这是因为鼓
包处受热过高，造成一定的脱碳现象，参照表 1，硬度试验的结果也表明碳含量的降低致使
两处的硬度值低于相应球化等级下的硬度值。一般金属材料的硬度和强度存在对应关系，
即硬度越高，强度越高，因此脱碳也导致了鼓包处强度下降从而更容易发生塑性变形。
以上三个结果对锅筒发生了鼓包、甚至开裂失效的作用应该都存在，但是作用大小可 事 故 分 析
10
能有所不同。
四、结论及处理建议
该锅筒鼓包失效是由于在在该处积存大量水垢，严重影响热传导，从而使该处钢板长期
过热而导致材料性能降低而引起的。
由于锅筒的鼓包严重，无法采用加热、顶压工艺，使锅筒恢复原状。因此，根据《在
用锅炉定期检验规则》的规定和使用单位的要求，对锅筒底部严重鼓包部位采用挖补方法
进行修复。其主要修理措施可按如下工艺进行[2]
：
1．清除锅炉内的水垢和垢渣。
2．先将一块质量符合要求，其材质、规格与原锅筒相同的钢板，按筒底部的圆弧预制
好，并将它打磨、开好坡口。
3．对预制好的补板做块模板，将模板覆盖在锅筒的鼓包区，适当缩小一些，在锅筒上
划好线。
4．先用氧割沿画线粗割除去锅筒底部的鼓包块再用模板校对后精割。
5．用砂轮机将锅筒底部割口边缘打磨成“V”型坡口。
6．由持证焊工按照修补焊接工艺，选用φ 4mm 的 E4315 焊条，按一定的焊接次序，分
层焊接好，不得强行装配补板。焊后补板的错边量：纵向焊缝不得超过板厚的 10％，且不
大于3mm；周向焊缝不得超过板厚的 15％＋1，且不大于 6mm。
7．焊接工作结束后，对挖补处的焊缝表面用砂轮机打磨至圆滑过渡，经外观检查合格
后，焊完后，所有焊接接头，用乙炔火焰加热至 600一 650℃，保证均匀加热。挖补板四周
用热电偶控制温度，按每毫米厚保温3分钟时间，保温时间不少于30分钟，覆盖石棉板保
温到常温以控制冷却速度。也可用其它低温热处理方法。
8．对对接焊缝进行100%射线探伤检测，其检测结果应符合要求。
9．锅筒底部挖补、焊接、外观检查、无损检测等合格后，按标准对锅炉本体进行水压
试验，其试验压力为1.05MPa。
上述工作完毕并经检查合格，本次锅筒的挖补修理工作结束。
参考文献
[1]李爱民，姚华明。KZ 型卧式外燃快装锅炉锅筒底部鼓包的原因及处理。机械研究与应
用.2005，18（6）：115~116