高溫過(guò)熱器管長(zhǎng)周期運(yùn)行后的性能分析

管宏全, 徐清國(guó)

(1.南京揚(yáng)子石化碧辟乙酰有限責(zé)任公司, 江蘇 南京 210047;2.中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司, 江蘇 蘇州 215004)

高溫過(guò)熱器管長(zhǎng)周期運(yùn)行后的性能分析

管宏全1, 徐清國(guó)2

(1.南京揚(yáng)子石化碧辟乙酰有限責(zé)任公司, 江蘇 南京 210047;2.中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司, 江蘇 蘇州 215004)

對(duì)某熱電廠鍋爐高溫過(guò)熱器進(jìn)行割管取樣分析，通過(guò)對(duì)高溫過(guò)熱器管的機(jī)械性能、碳化物相成分和結(jié)構(gòu)、珠光體球化等進(jìn)行測(cè)試,分析出高溫過(guò)熱器管存在局部超溫現(xiàn)象，并按Larson-Miller公式估算其剩余壽命在19～54 kh不等，進(jìn)而提出具體的延壽措施。

高溫過(guò)熱器；性能；碳化物；當(dāng)量溫度；剩余壽命

1 概述

某熱電廠一期工程1～6號(hào)鍋爐(HG220/100-10)相繼在1986—1988年建成投產(chǎn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間均超過(guò)1.1×105h。在近幾年大修中，發(fā)現(xiàn)1號(hào)、4號(hào)爐高溫過(guò)熱器(12Cr1MoV)珠光體球化5級(jí)，而6號(hào)鍋爐則因長(zhǎng)期超溫導(dǎo)致過(guò)熱器爆管。這些現(xiàn)象的存在，對(duì)高溫過(guò)熱器管的材質(zhì)性能產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，直接影響到電廠的安全運(yùn)行。

過(guò)熱器由于長(zhǎng)期在火焰、煙氣、飛灰等惡劣環(huán)境中運(yùn)行，在服役過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列材料組織與性能的變化，這些變化涉及蠕變、疲勞、腐蝕、沖蝕等復(fù)雜的老化與失效機(jī)理，由此造成的失效方式達(dá)20多種。

目前電站鍋爐高溫過(guò)熱器的失效形式仍以高溫蠕變(長(zhǎng)期過(guò)熱)失效為主。由于設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等因素的影響，電站鍋爐超溫現(xiàn)象比較普遍，嚴(yán)重影響了材料的性能和使用壽命。2002年江蘇省電站鍋爐過(guò)熱器共計(jì)發(fā)生爆漏29起，其中與超溫有關(guān)的爆管達(dá)26起。

該熱電廠1～6號(hào)鍋爐由于投產(chǎn)較早，隨著機(jī)組服役時(shí)間的增長(zhǎng)及眾多因素的影響，高溫過(guò)熱器管的材質(zhì)性能已經(jīng)產(chǎn)生很大的變化并成為最常見(jiàn)的失效部件之一。因此了解長(zhǎng)期運(yùn)行后的過(guò)熱器管的性能，防止過(guò)熱器事故發(fā)生便成為火電廠金屬監(jiān)督的一項(xiàng)重要工作。

2 材料本質(zhì)狀況的試驗(yàn)分析

2.1 過(guò)熱器管長(zhǎng)期運(yùn)行后的外觀及脹粗情況

高溫過(guò)熱器在長(zhǎng)期使用中的主要失效形式是由過(guò)熱引起的蠕變損傷，而管徑的脹粗現(xiàn)象則是一個(gè)重要的蠕變變形形式。《火力發(fā)電廠金屬監(jiān)督規(guī)程》中規(guī)定,合金鋼管的脹粗量不大于2.5%。對(duì)4號(hào)爐、6號(hào)爐的過(guò)熱器取樣管進(jìn)行宏觀檢查，結(jié)果如表1所示。

表1 4號(hào)爐及6號(hào)爐過(guò)熱器樣管尺寸變化

從表1中的數(shù)據(jù)來(lái)看，高溫過(guò)熱器管的脹粗均不嚴(yán)重，且無(wú)明顯減薄現(xiàn)象，實(shí)際測(cè)量的壁厚均大于公稱(chēng)尺寸，但這并不意味著材料未發(fā)生老化，如仍按規(guī)定的2.5%控制則顯得安全裕度不足。實(shí)際情況中有許多管段脹粗尚未達(dá)到2.5%即發(fā)生爆管，因此必須通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步分析材料的實(shí)際狀況。

2.2 過(guò)熱器管長(zhǎng)周期運(yùn)行后的機(jī)械性能變化

力學(xué)性能測(cè)試分常溫和高溫(540℃)短時(shí)拉伸試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知，4號(hào)爐、6號(hào)爐高溫過(guò)熱器管的常溫和高溫力學(xué)性能均明顯下降，向火面較背火面更為明顯。常溫力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，但高溫力學(xué)性能已低于標(biāo)準(zhǔn)值，且向火面高溫力學(xué)性能，如4號(hào)爐2號(hào)取樣管(4-2)、6號(hào)爐4號(hào)取樣管(6-4)的向火面抗拉強(qiáng)度бb遠(yuǎn)低于試驗(yàn)材料運(yùn)行1.1×105h以后的性能，這正好與后面碳化物相成分的轉(zhuǎn)移吻合。這2根過(guò)熱器管的硬度也相對(duì)其他的要低，向火面的硬度也比背火面的低。這一切均是材料在超溫狀態(tài)使用下老化的有力證據(jù)。

2.3 長(zhǎng)周期運(yùn)行后過(guò)熱器管碳化物相成分、相結(jié)構(gòu)的變化

鋼材長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，合金元素在固溶體和碳化物相之間會(huì)重新分配，這是由于高溫使合金元素原子的活動(dòng)力增加而產(chǎn)生轉(zhuǎn)移。鋼管化學(xué)成分可按電廠金屬化學(xué)分析法進(jìn)行分析，從表2可以看出鋼管成分符合12Cr1MoV鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，但合金元素在金屬中的分布狀態(tài)有了較為明顯的變化。這種合金元素分布的變化是金屬材料老化的基本特征之一。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼中基體的金屬元素逐漸貧乏，而碳化物中的合金元素逐漸增多。

利用YXG-77型原子吸收光譜儀及濕法化學(xué)分析法對(duì)碳化物相成分進(jìn)行分析。4號(hào)爐樣管的碳化物相成分測(cè)試結(jié)果表明，由于其表面基體中的部分Cr和Mo元素向碳化物中遷移，使碳化物中的這2種合金元素的含量增加，而提高珠光體鋼高溫強(qiáng)度的最有效元素就是Cr和Mo，它們?cè)阡撝型纬珊辖鸸倘荏w，起到固溶強(qiáng)化的作用。同時(shí)這2種元素還有利于提高位錯(cuò)交滑移和攀移的阻力，從而提高金屬的高溫強(qiáng)度。這2種元素發(fā)生遷移，會(huì)減弱固溶強(qiáng)化作用，從而降低高溫過(guò)熱器管的機(jī)械性能，特別是高溫過(guò)熱器管的強(qiáng)度。

相對(duì)于其他的取樣管，6-4管的Cr、Mo的遷移量較大。元素的遷移量大說(shuō)明此處溫度相對(duì)其他地方要高，由于這個(gè)取樣點(diǎn)就在6號(hào)爐超溫爆管點(diǎn)附近，在一定程度上可以說(shuō)明6號(hào)爐此處存在局部超溫現(xiàn)象。

表2 機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 鍋爐管化學(xué)成分

在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行，碳化物相的結(jié)構(gòu)形式也將發(fā)生一系列變化。采用XDA-3型X射線衍射儀對(duì)碳化物的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試分析可知，4號(hào)爐2根過(guò)熱器管碳化物的相結(jié)構(gòu)基本一致。4-1管主 要 為 Fe3C、(Cr，F(xiàn)e)7C3、(Mo，F(xiàn)e，Mn)2C 和V8C7相；4-2管主要為Fe3C、(Cr，F(xiàn)e)7C3、(Mo，F(xiàn)e，Mn)2C還有少量V4C3相，均未發(fā)現(xiàn)M23C6相。

6-1、6-2、6-3管碳化物的相結(jié)構(gòu)基本一致，主要為Fe3C、V4C3、(Cr，F(xiàn)e)7C3、Mn23C6相，6-4管中除上述相外，還出現(xiàn)了Cr23C6相。與其他取樣管相比，MC相和M3C的含量相對(duì)減少，晶界析出的Cr23C6表明MC在進(jìn)一步脆化，晶界脆性增加，材料老化狀態(tài)加重，這與相成分分析結(jié)果(見(jiàn)表4)一致。

表4 碳化物的相成分分析結(jié)果%

2.4 長(zhǎng)周期運(yùn)行后過(guò)熱器管顯微組織的變化

目前，國(guó)內(nèi)電廠對(duì)金屬部件進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)督的一個(gè)重要措施就是分析組織的球化程度。從熱力學(xué)角度出發(fā)，鋼中珠光體組織的碳化物為片層狀，這種組織屬于亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)，有轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)。低溫下這種轉(zhuǎn)變幾乎不可能，但在高溫下卻很明顯，這是由于高溫下原子擴(kuò)散加劇的緣故。對(duì)于12Cr1MoV鋼，球化對(duì)常溫機(jī)械性能的影響并不太明顯，但對(duì)高溫機(jī)械性能來(lái)說(shuō)，球化會(huì)使材料的蠕變極限和持久強(qiáng)度明顯下降。

4號(hào)爐在2次抽樣檢測(cè)中，過(guò)熱器管的金相組織基本已球化，如圖1和圖2所示，碳化物已在晶界上聚集長(zhǎng)大，僅有少量的珠光體區(qū)域痕跡，且有蠕變孔洞的存在，球化級(jí)別接近5級(jí)。顯微硬度明顯低于新管的典型值。這與顯微組織形貌變化一致，說(shuō)明材料已有老化趨勢(shì)。

6號(hào)爐由于在2002年出現(xiàn)過(guò)長(zhǎng)期超溫爆管，本次抽樣率較高，基本上在各處區(qū)域均有取樣點(diǎn)。從金相組織來(lái)看，大部分珠光體仍保持原有的區(qū)域形態(tài)，而各部分金相組織球化級(jí)別仍有差異，如圖3和圖4所示，6-4管珠光體球化級(jí)別達(dá)到4級(jí)，僅有少量珠光體區(qū)域的痕跡，但6-2管球化級(jí)別略高于2級(jí)，表明過(guò)熱器存在較大的溫度偏差。

圖1 4-1管的橫截面金相(500×)

圖2 4-2管的橫截面金相(500×)

圖3 6-4管的縱截面金相(500×)

圖4 6-2管的橫截面金相(500×)

3 高溫過(guò)熱器的剩余壽命預(yù)測(cè)

鍋爐高溫部件使用壽命改變一方面表現(xiàn)為強(qiáng)度下降、超溫導(dǎo)致材料的老化；另一方面表現(xiàn)在材料的性能劣化及軟化上。強(qiáng)度不足而最終導(dǎo)致爆管失效是高溫鍋爐管的主要失效形式。部件使用壽命一般與部件使用溫度、應(yīng)力及使用時(shí)間有直接關(guān)系，同時(shí)也與材料的顯微組織有關(guān)，顯微組織的老化必然會(huì)導(dǎo)致部件使用壽命下降。因此在采用強(qiáng)度分析的方法預(yù)測(cè)部件使用壽命的基礎(chǔ)上，要同時(shí)考慮材料組織老化這一因素，這對(duì)鍋爐管的壽命預(yù)測(cè)尤其重要。

鍋爐管運(yùn)行過(guò)程中總存在溫度波動(dòng)，其壽命的損耗程度等效于在某一固定的金屬溫度及特定的應(yīng)力條件下服役了相同時(shí)間的爐管的壽命損耗程度，這個(gè)等效的金屬溫度即為當(dāng)量金屬溫度。因而，當(dāng)量金屬溫度既不是管子的外壁溫度，也不是其內(nèi)壁溫度和外壁的平均溫度，而是某段服役期內(nèi)壽命損耗程度的一種等效描述。

高溫鍋爐管內(nèi)壁氧化層的厚度與其在該段服役期內(nèi)的當(dāng)量金屬溫度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，滿足如下的方程式：

通過(guò)割管分析得到4號(hào)爐過(guò)熱器管內(nèi)壁氧化層厚度在0.122～0.236mm之間，6號(hào)爐過(guò)熱器管內(nèi)壁氧化層厚度在0.160～0.250mm之間。根據(jù)公式(1)同時(shí)綜合顯微組織的球化分析、相成分分析法，4號(hào)爐過(guò)熱器管的當(dāng)量溫度為570℃，而6號(hào)爐的當(dāng)量溫度應(yīng)在73～540℃之間。

管段的剩余壽命與其失效方式密切相關(guān)，12Cr1MoV鋼的失效通常存在如下3種表現(xiàn)形式：

(1)管外表面存在由于硫的熱腐蝕作用而形成的蝕坑群；

(2)長(zhǎng)時(shí)期過(guò)熱運(yùn)行管材發(fā)生老化而導(dǎo)致的高溫蠕變失效；

(3)由于超溫管材內(nèi)、外壁發(fā)生嚴(yán)重氧化，金屬有效壁厚減薄到不足以承受管內(nèi)壓力而爆破。

由于高溫過(guò)熱器管材的工作溫度和工作壓力較高，其失效的方式通常表現(xiàn)為第2和第3種形式。

在考慮高溫蠕變失效方式時(shí)，影響蠕變壽命的因素有：管壁金屬溫度、金屬壁厚減薄速率和減薄后管段的實(shí)際工作應(yīng)力?；谏鲜龇治觯瑝勖?jì)算模型是計(jì)算在管壁減薄速率K下的運(yùn)行時(shí)間tnr(h)。

式中：應(yīng)力敏感系數(shù)n取5～8，K為壁厚減薄速率(mm/h)。

假定氧化和腐蝕也是線性的，則壁厚減薄速率的公式可以表達(dá)如下：

式中：W0是管子初始直徑(mm)，t為運(yùn)行時(shí)間(h)，W為運(yùn)行時(shí)間t后管子的實(shí)測(cè)直徑(mm)。

式(2)中tr(0)為在當(dāng)前壁厚下無(wú)減薄管的蠕變斷裂壽命(h)，按Larson-Miller公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：σ為實(shí)測(cè)厚度下的平均周向應(yīng)力(kgf/cm2)，C0，C1，C2，C3，C4是由材料確定的系數(shù)，T為當(dāng)量金屬溫度(K)，tr為蠕變斷裂壽命(h)。

根據(jù)上述壽命計(jì)算模型進(jìn)行高溫過(guò)熱器管剩余壽命計(jì)算，在目前運(yùn)行水平下，4號(hào)爐樣管剩余壽命應(yīng)在 19000～27000h 左右，6 號(hào)爐樣管剩余壽命在 25000～54000h 之間。由于可利用的歷史數(shù)據(jù)較少，本次采取了較保守的計(jì)算方式以提高評(píng)估結(jié)果的可靠性。評(píng)估結(jié)果表明，樣管基本上均可以安全運(yùn)行至下一大修期。

4 高溫過(guò)熱器的延壽措施

當(dāng)前高溫過(guò)熱器管的失效形式以高溫蠕變破壞為主，因此延長(zhǎng)高溫過(guò)熱器使用壽命的本質(zhì)問(wèn)題便是解決超溫對(duì)過(guò)熱器管的影響。通過(guò)對(duì)4號(hào)、6號(hào)爐高溫過(guò)熱器取樣管的分析可知，溫度對(duì)過(guò)熱器管材的微觀組織變化起著主導(dǎo)作用，并通過(guò)機(jī)械性能的量化表現(xiàn)出性能的下降。所以，延壽措施便以解決超溫問(wèn)題為主。

4.1 壁溫測(cè)量盡量準(zhǔn)確

壁溫測(cè)點(diǎn)選擇合適，在可能超溫的地方加裝必要的測(cè)點(diǎn)，將測(cè)點(diǎn)裝在實(shí)際壁溫最高的管子上，改進(jìn)安裝方法，使熱電偶的接點(diǎn)能與管壁可靠接觸。這樣才能使壁溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)真實(shí)地反映實(shí)際壁溫狀況。

4.2 削弱旋轉(zhuǎn)殘余氣流

由于四角布置切圓燃燒方式在爐膛出口處必然存在一定的旋轉(zhuǎn)殘余氣流，使?fàn)t膛出口煙溫和煙速分布出現(xiàn)一定偏差，進(jìn)而使實(shí)際的受熱面吸熱量產(chǎn)生了偏差。削弱旋轉(zhuǎn)殘余氣流主要有以下方法：

(1)通過(guò)改變?nèi)紵鳉饬饕敕较?，減小實(shí)際切圓直徑，使其盡量接近設(shè)計(jì)工況；

(2)鍋爐一、二次風(fēng)匹配合理，保證一定的動(dòng)量比，以組織良好的爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)；

(3)應(yīng)用反切技術(shù)對(duì)燃燒器做適當(dāng)改造，以消除旋轉(zhuǎn)殘余氣流。

4.3 做好運(yùn)行調(diào)整工作

運(yùn)行中不能根據(jù)燃燒的需要及時(shí)調(diào)整各層燃燒器配風(fēng)，會(huì)使燃燒器工況惡化，火焰中心上移；煤粉燃燒行程加長(zhǎng)，會(huì)使?fàn)t膛出口煙溫升高，加大超溫的幅度；同層燃燒器各角一次風(fēng)口風(fēng)速不均勻，會(huì)使?fàn)t膛出口煙道溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布不均，加大局部超溫的可能。在啟停磨煤機(jī)及鍋爐負(fù)荷升降的過(guò)程中，運(yùn)行工況的動(dòng)態(tài)變化速度過(guò)快，會(huì)促使過(guò)熱器管壁溫度上升，如果經(jīng)常在這種狀態(tài)下運(yùn)行，必然導(dǎo)致超溫效應(yīng)的積累。在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，若對(duì)后屏出口汽溫控制不當(dāng)，則會(huì)造成后屏過(guò)熱器超溫。另外鍋爐的超負(fù)荷運(yùn)行、煤質(zhì)變化、煤粉細(xì)度的改變等對(duì)過(guò)熱器的溫度影響也較大。因此及時(shí)的運(yùn)行調(diào)整對(duì)防止鍋爐的超溫有一定的主導(dǎo)作用。

4.4 努力提高鍋爐設(shè)備的檢修和維護(hù)質(zhì)量

提高鍋爐設(shè)備的檢修和維護(hù)質(zhì)量。在檢修中做好下列工作，有助于減少超溫現(xiàn)象，延長(zhǎng)過(guò)熱器的使用壽命。

(1)減少爐本體、空預(yù)器的漏風(fēng)。運(yùn)行中空預(yù)器漏風(fēng)嚴(yán)重，可使燃燒器配風(fēng)不足，造成燃燒偏斜、燃燒過(guò)程加長(zhǎng)，加劇過(guò)熱器超溫。爐底漏風(fēng)、爐本體漏風(fēng)嚴(yán)重，會(huì)造成爐膛出口煙溫、煙氣量增加，加劇超溫。因此在檢修過(guò)程中，必須做好鍋爐的密封工作，解決漏風(fēng)問(wèn)題。

(2)提高減溫水自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，維持好高溫過(guò)熱器汽溫，并注意調(diào)整好一、二級(jí)減溫水的比例，保持好過(guò)熱器各段汽溫在允許值范圍之內(nèi)。

(3)在本體檢修中應(yīng)注意調(diào)整高溫過(guò)熱器管夾齊平，保證管節(jié)距正確，防止形成煙氣走廊。

5 結(jié)論和建議

該熱電廠220t/h高壓燃煤鍋爐經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，高溫過(guò)熱器性能已發(fā)生了改變，進(jìn)入蠕變第2階段。通過(guò)對(duì)4號(hào)、6號(hào)爐過(guò)熱器取樣管割管分析，其各個(gè)區(qū)域的材質(zhì)性能變化水平并不均衡，無(wú)論是金相組織、碳化物分析、金屬當(dāng)量溫度還是剩余壽命預(yù)測(cè)，均說(shuō)明存在局部超溫的現(xiàn)象。該熱電廠相同時(shí)期投運(yùn)的其他鍋爐必然也存在這一問(wèn)題。高溫過(guò)熱器超溫的原因是多方面的，只有找出超溫的主要原因，采取合理的措施避免超溫，才能延長(zhǎng)高溫過(guò)熱器管的使用壽命。

4號(hào)、6號(hào)爐的取樣管剩余壽命均能運(yùn)行至下一大修周期，但過(guò)熱器管是由多排多根組成的換熱系統(tǒng)，割管取樣分析本質(zhì)上屬于抽樣檢查，并且本次樣管的割取位置并不是理論上的煙氣最高點(diǎn)。為使壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性得到提高，掌握過(guò)熱器的性能，建議對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行后的過(guò)熱器管在大修或小修中進(jìn)行較為準(zhǔn)確的過(guò)熱器壽命普查，從而為機(jī)組的安全運(yùn)行提供全面的指導(dǎo)和參考。

1章燕謀．鍋爐與壓力容器用鋼[M]．西安:西安交通大學(xué)出版社，1997.

2火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)[M]．北京:中國(guó)電力出版社，2001.

3李耀君．火力發(fā)電廠關(guān)鍵部件失效分析及全過(guò)程壽命管理[M]．北京:中國(guó)電力出版社，2000.

4羅永浩．大型燃煤電站鍋爐若干重大問(wèn)題的原因分析和改進(jìn)措施[J]．鍋爐技術(shù)，1999(2)．

2013-05-15)