鍋爐受熱面管的材料失效與老化分析

由慶健

（華能煙臺發(fā)電廠，山東 煙臺 264000）

過熱器管、再熱器管、水冷壁管、省煤器管（簡稱爐內(nèi)四管）等部件是鍋爐內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)件，長期在惡劣的環(huán)境介質(zhì)中運(yùn)行，會發(fā)生一系列材料組織與性能的變化，涉及蠕變、疲勞、腐蝕、沖蝕等復(fù)雜的老化與失效機(jī)理。大多數(shù)高溫鍋爐管的失效是由于強(qiáng)度降低到一定水平后,不能滿足設(shè)計的強(qiáng)度需求而開裂或泄漏。爐內(nèi)四管爆漏問題長期以來一直是火電廠機(jī)組強(qiáng)迫停機(jī)的主要原因，因此，在了解材料老化規(guī)律的基礎(chǔ)上，確認(rèn)失效運(yùn)營和機(jī)理，才可能較準(zhǔn)確地對爐管壽命做出預(yù)測，并做出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 高溫鍋爐管使用和失效特點(diǎn)

高溫鍋爐失效的類型很多，失效機(jī)理也非常復(fù)雜，普遍存在蠕變、疲勞、腐蝕、沖蝕等機(jī)理的交互作用現(xiàn)象。近幾年的研究認(rèn)為，金屬材料中的碳化物相，是構(gòu)成金屬材料較高強(qiáng)度的基礎(chǔ)，碳化物相的一系列變化過程代表了材料老化過程。碳化物相的變化主要有三個方面組織形態(tài)改變、相成分改變、鋼中的多種碳化物在使用過程中將發(fā)生結(jié)構(gòu)改變。隨著金屬分析測試技術(shù)的發(fā)展，上述老化特征均能夠定量地給出測試結(jié)果，可以定量地掌握材料的老化程度，當(dāng)運(yùn)行時間已知時，則可推導(dǎo)出材料老化的平均速度，由此可直接估算材料的壽命。

2 碳化物的球化

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，這種組織形式屬于亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)，有轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定化結(jié)構(gòu)的趨勢，高溫下轉(zhuǎn)變很明顯。因此，球化過程可以描述成擴(kuò)散控制的熱力學(xué)反應(yīng)過程。

影響擴(kuò)散的主要因素是溫度。對一般擴(kuò)散控制的變化過程，其過程變化速度V都具有Arrhenius方程形式：V=aexp（-一般，過程變化的速度越快，過程所經(jīng)歷的時間越短，過程速度v與過程時間t成反比，有：vt=C②，C為常數(shù)，球化速度越快，則達(dá)到某種程度球化的時間越短，因此①可改寫為③。式中，A、b為球化系數(shù)，當(dāng)成分一定時，其激化能Q(或b)是常數(shù)，A值大小也僅與球化程度有關(guān)，為常數(shù)。這樣，達(dá)到某種程度球化所需的時間t僅與溫度有關(guān)，由于球化程度不同，A值也不同，則對不同球化程度X，有普遍方程式④，球化程度可用球化級別近似表示，即對 12Cr1MoV鋼，X=1,2，……，5（ 分 5級）。 溫度稍升高一點(diǎn)，達(dá)到某種程度球化所需要的時間會呈指數(shù)形式急劇減少，可見超溫對球化的影響極大，從實(shí)際情況分析，若在短時間內(nèi)球化發(fā)展到嚴(yán)重變化程度，一般認(rèn)為是存在明顯超溫所致，這一規(guī)律表明上述理論模型是符合實(shí)際的。若對式④求對數(shù)則⑤該式表明，球化到某種程度的對數(shù)時間lntX與溫度的倒數(shù)1/TX呈線性關(guān)系。在不同溫度下測定達(dá)到某種程度球化的不同時間值，可以統(tǒng)計出該材料某種狀態(tài)下的b值和A值。將式⑤改寫為⑥則可看出若該材料的b值和AX值已知，由球化時間tX求出此時的球化溫度TX，這一溫度代表了金屬實(shí)際使用溫度，由此可預(yù)測鍋爐管的老化程度和使用壽命。

3 碳化物相的成分變化

電廠常用的Cr-Mo、Cr-Mo-V鋼在長期使用中，其合金元素將發(fā)生再分配現(xiàn)象，通常又稱為固溶體中合金元素的貧化現(xiàn)象。其特點(diǎn)是：因溶體中合金元素的含量逐漸減少，碳化物中的合金元素的含量逐漸增加，于是固溶體中合金元素逐漸貧化，鋼的蠕變和持久強(qiáng)度降低。隨運(yùn)行時間的增長，合金元素從固溶體中遷移到碳化物中去，鉬元素的貧化（即減少）最為厲害，釩元素的變化則較緩慢。12Cr1MoV鋼在510℃時，鉬元素從固溶體中析出，鉻元素幾乎不變。隨溫度升高，鉻和鉬析出的量逐漸增加，當(dāng)溫度升高到565℃時，鉻和鉬元素含量顯著增多。這表明存在碳化物相成分明顯改變的臨界溫度限，超過這一溫度，碳化物中的合金元素不增反降，這是碳化物相成分變化的一個特殊現(xiàn)象。這一現(xiàn)象可用于分析鍋爐管超溫狀況，與原始或正常運(yùn)行的管段樣品相比，超溫管段的碳化物相成分如果不增加甚至下降，則可認(rèn)為其超溫程度已相當(dāng)嚴(yán)重。

4 碳化物相結(jié)構(gòu)的變化

高溫環(huán)境下長期使用，碳化物相的結(jié)構(gòu)形式也發(fā)生一系列變化，由簡單的M3C等碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜結(jié)構(gòu)的M23C、M6C等碳化物相，相結(jié)構(gòu)的變化現(xiàn)象是描述材料老化的另一重要特征。以某電廠12Cr1MoV鋼過熱器管碳化物相結(jié)構(gòu)變化的實(shí)例，來研究碳化物相結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

原始未運(yùn)行樣品的碳化物相主要由M3C碳化物組成，即主要組成相為M3C+MC+M2C，M3C相晶體比較完整，其余各項(xiàng)的含量很少，M23C相含量﹤10%，M6C相含量為0，表明材料的原始狀態(tài)為未出現(xiàn)老化的碳化物相組成結(jié)構(gòu)。

樣品顯微組織為三級球化時，碳化物相的主相變?yōu)镸3C+MC+M23C6，M3C相含量減少明顯，晶體出現(xiàn)不完整性，MC相含量增多，表明晶內(nèi)有大量新生MC相析出，伴有明顯的粒子長大行為。

樣品顯微組織為四級球化時，碳化物相的主相進(jìn)一步變?yōu)镸3C+MC6，MC相大量增多而取代M3C相成為第一主相，M3C相的量則減少到低于30%，表明已發(fā)生明顯的材料老化，此時的顯微結(jié)構(gòu)仍屬彌散強(qiáng)化機(jī)理控制的較正常狀態(tài)。MC相的晶粒繼續(xù)長大，晶內(nèi)碳化物析出和粗化現(xiàn)象進(jìn)一步強(qiáng)化。

樣品顯微組織為五級球化時，其主相構(gòu)成變?yōu)镸C+M3C+M23C6，與四級球化樣相比，MC相和M3C相的含量都有減少，而晶界析出的M23C6相含量則明顯增多達(dá)20%左右，表明MC相在進(jìn)一步粗化，而晶界脆性明顯增加，表明材料老化已十分明顯。

爆管樣品的顯微組織球化達(dá)五級以上，碳化物相的主相為MC+M23C6+M7C3,M23C6相含量進(jìn)一步增多接近30%，M3C相則由57%減少為11%，成為次要相，MC相晶粒長大現(xiàn)象十分突出，M7C3相大量出現(xiàn)，出現(xiàn)較多M6C相，由此表明，材料的損傷程度已經(jīng)非常嚴(yán)重。

5 結(jié)語

由于高溫鍋爐管的使用環(huán)境是復(fù)雜而多變的，老化與失效的基本原因分析，可以發(fā)現(xiàn)其組織和性能的變化規(guī)律，掌握其老化機(jī)理，為鍋爐管的壽命管理和維修決策做出科學(xué)依據(jù)。