1、前言
    某電廠l號機組300 MW燃煤鍋爐子2003年12月投入運行，到2006年2月大修時，鍋爐累計運行了100 80 h。在大修時發現：向火面的水冷壁鋼管上多處有鼓包現象，據不完全統計，垂直段和斜坡上分別有138根和109根出現此現象，且爐后墻鋼管鼓包數量比前墻多。水冷壁鋼管的材料牌號為20 G，即包括光管(規格為∮45×6mm)，也包括內螺紋管(規格為∮45×5.4mm)。在鼓包的水冷壁鋼管中先后截取2根作
為分析的樣品，1只鼓包不明顯，編號為1號，1只鼓包明顯，編號為2號。分別對2只鋼管進行了宏觀形貌觀察、幾何尺寸測量、力學性能測試和微觀組織分析，并對產生鼓包的原因進行了分析和討論。
2、試驗過程與結果
2.1鼓包管子的宏觀分析
    對取回的2只鋼管進行宏觀形貌觀察和尺
寸測量。分析發現：鋼管外表面呈棕紅色，與未鼓包處相比，1號鋼管鼓包處外徑增大了0.7mm，2號鋼管鼓包處外徑增大了1.4 mm。鼓包處鋼管壁厚的最大減薄量0.3 mm。l號和2號鋼管鼓包處的宏觀形貌分別如圖1和圖2所示。
2.2鼓包鋼管的化學成分分析
    分別從2只鋼管上取樣用德國OBLF公司生產的QSN750型直讀光譜儀測試了鋼管的化學成分，測試結果如表1所示。從表中的數據來看，2只水冷壁鋼管的化學成分均符合GB 5310-95標準的規定。
2.3力學性能
    分別在2只鋼管上取樣進行了力學性能測試，測試結果見表2。測試結果表明，2只鋼管的各項力學性能均符合GB 5310 - 95標準的規定，且1號鋼管鼓包處與未鼓包處的硬度并無明顯差異。
2.4金相組織分析
    分別在1號、2號鋼管鼓包處取樣進行金相分析。分析過程中發現：2只鋼管的內壁均有脫碳現象，全脫碳層最大深度為0.15 mm，外壁脫碳不明顯。在1號鋼管的內壁發現了軋制產生的直道，直道的最大深度為0.12 mm，直道底部比較圓鈍，且無自直道底部萌生裂紋或產生鼓包的跡象。脫碳層和直道深度符合GB 5310 - 95標準的規定。1號鋼管內壁脫碳層和直道底部及其附近區域的金相組織形貌見圖3所示。2號鋼管所取金相試樣上沒有發現軋制直道。富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
    觀察1號試樣在鼓包最嚴重區域、未鼓包區域、二者交界處以及2號試樣鼓包最嚴重區域的顯微組織形態。觀察發現：在1號試樣鼓包和未鼓包交界處的截面上，外壁側（1.5 mm厚）組織形態與鼓包最嚴重區域以及未鼓包區域的組織形態相同，見圖4(a)。內壁側（約1.3 mm厚）的金相組織為鐵素體十沿晶界分布的小尺寸珠光體和鐵索體，晶粒度為6～7級，內壁組織形態詳見圖4(b)。管壁中間部分的（約2.5 mm厚）晶粒尺寸小于外壁和內壁，晶粒度細于8級，組織形態正常，為鐵素體十珠光體，組織特征見圖4(c)。1號和2號鋼管鼓包最嚴重區域與1號鋼管未鼓包區域的金相組織相同，組織為鐵素體十珠光體，組織形態正常，晶粒度為7～8級，典型的組織形貌見圖5。夾雜物等級為AO.5、BO.5、CO．5、Dl．O級，微觀組織符合GB 5310 - 95標準的規定。
3、分析與討論
3.1材質與鼓包的關系
    分析與測試結果表明，水冷壁鋼管的化學成分、力學性能、夾雜物等級、脫碳層深度、內壁的軋制直道的深度、金相組織形態和晶粒度均符合GB 5310-95的標準規定，鋼管鼓包與材質無關。
3.2鼓包的原因分析
    水冷壁鋼管鼓包意味著此處產生了塑性變形。即在運行工況下金屬管壁所承受的應力水平超過了它的屈服強度。鼓包的程度取決于當時運行工況下應力、溫度和時間3者共同作用的結果。
3.2.1應力因素
    在正常工況下，工質作用在管壁上的最大壓力為19.8 kN，這個壓力所形成的應力小于20 G鋼管在相應溫度下的許用應力，管子可以安全運行。當工質溫度升高時，壓力將增大，作用在管壁處的應力水平將有一定程度的提高。但是在運行過程中并沒有發現工質溫度明顯升高的跡象，因此認為鋼管鼓包與工質壓力的變化無關。
3.2.2溫度與時間因素
    如果在運行過程中，鋼管向火面內壁的局部區域出現傳熱不良現象，將會導致此處的管壁溫度升高——甚至超溫，進而造成管壁金屬強度的明顯降低。管壁金屬因溫度升高而引起強度降低的程度依賴于超溫的溫度和作用的時間。通常，管壁金屬的金相組織會隨著運行時間的延長而有球化現象，但是在l×l0 4 h的運行時間內不會有太明顯的改變。據300 MW直流鍋爐鰭片管溫度場的分布圖口一，圖6可知：在正常工況下，向火面管壁截面的溫度也存在偏差。若管內工質的溫度為365℃，管壁內側的溫度可以達到404.9℃，外壁處的溫度可達到460.6℃，內外壁溫度相差60℃左右。
    鼓包和未鼓包交界處截面的3層不同組織形貌揭示了管壁金屬經歷的溫度變化情況，并可以根據其變化推斷出超溫的大致時間和溫度范圍。首先，根據晶粒尺寸和組織形態推斷：最大鼓包處鋼管壁溫經歷了比20 G鋼的Ac3點(840℃)至少高出50℃的溫度循環，超溫使這里的金屬重新進行了奧氏體化，并在傳熱不良現象消失后冷卻，重新獲得了鐵素體十珠光體組織。其次，由于管壁中間區域和外壁間約有30℃的溫差，使這里的受熱溫度低于外壁，表現出晶粒尺寸更加細小的特征；再其次，內壁的組織形態說明此處所超出的溫度沒有達到Ac3點，而是處于鐵索體十奧氏體二相區，使得原來組織中的珠光體在轉變成奧氏體以后又于冷卻中重新轉變成小尺寸的鐵素體和珠光體。由于晶界提供了較高的能量，所以轉變集中在晶界處，形成了具有上述特征的組織形貌。在未鼓包處沒有這種現象。最后，鼓包嚴重處只有基本均勻的一種組織形態和交界處截面有3種組織特征共存，說明鼓包處溫度最高，交界面處次之。包鼓起處的金屬在超溫工況下全部進行了相變，而交界處截面中只有中間和外側金屬進行了完全相變。此外，交界處截面有3種形貌特征還說明超溫時間較短，根據碳鋼20 G的導熱性估算，超溫時間可能在5min左右。超溫溫度過高或作用時間過長，只要二者具備其一，都可以造成爆管的嚴重后果。幸運的是，運行造成的局部短時超溫只是造成了管壁局部的塑性變形。
    大修時觀察到的所有鼓包可能是運行中一次超溫工況造成的，也可能是幾次超溫工況結果的累加。所取試樣中并沒有發現局部超溫部位重疊的現象，說明鼓包可能是在鍋爐運行的全過程中，由一次超溫造成的。正是由于短時超溫，使傳熱不良的局部管壁金屬的許用應力大幅度降低，進而在管內壁工質對管壁形成的應力作用下產生了塑性變形。在宏觀上出現了鼓包特征�？梢�，管內工質在管內壁表面造成的局部傳熱不良而導致的管壁局部短時超溫是造成水冷壁鋼管鼓包的原因。
4、結論
    (1)分析與測試表明水冷壁鋼管的材質符合標準要求，鋼管鼓包和鋼管材質無關。
    (2)鍋爐運行中產生的局部短時超溫是致使水冷壁鋼管鼓包的主要原因。
5、建議
    (1)保證給水和爐水的品質合格，減少水冷壁內結垢。
    (2)調整好燃燒，使火焰均勻不偏斜，防止水冷壁管受熱不勻，水循環被破壞。
    (3)對受熱面進行蠕脹和變形等情況的定期檢查。
    (4)對長期存在過熱問題的受熱面，安裝熱工溫度測點進行監督控制。富通新能源生產銷售的生物質鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。