循環(huán)流化床鍋爐高溫受熱面管失效現(xiàn)狀研究

李衛(wèi)東 李 婧 趙向南 陳志剛

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016）

1 引言

近十幾年來，循環(huán)流化床鍋爐以其床料蓄熱量大、燃燒穩(wěn)定、操控方便以及效率高污染低等優(yōu)點，在中壓到亞臨界特別是在35t/h～1000t/h 級電站鍋爐這一區(qū)域占據(jù)了主導(dǎo)地位[1-2]。 循環(huán)流化床鍋爐受熱面管材料的使用環(huán)境十分惡劣，在運行中非常容易產(chǎn)生失效損壞，造成受熱面管泄漏。 針對受熱面管失效問題，國內(nèi)外技術(shù)研究人員做了大量的工作，并且取得了一定的成果，但是鍋爐受熱面管的爆漏事故仍時有發(fā)生。 鍋爐受熱面管的失效形式多種多樣， 多數(shù)情況下不是單一而是由多種因素共同作用造成的，因此，本文結(jié)合多年來的檢驗經(jīng)驗，總結(jié)了循環(huán)流化床鍋爐受熱面管多種失效形式， 為以后循環(huán)流化床鍋爐受熱面管進(jìn)行監(jiān)督檢驗工作提供參考。

2 鍋爐高溫受熱面管失效形式及原因

鍋爐的高溫受熱面管在極其復(fù)雜、 惡劣的環(huán)境下長期工作， 因此鍋爐受熱面管的損壞一方面是由于各種介質(zhì)對管壁的磨損、腐蝕，使得受熱面管壁減薄超過其設(shè)計最小壁厚，造成爆漏。 另一方面，運行時爐膛溫度時常變化使的管壁材料組織變化， 造成受熱面管材料性能下降而發(fā)生爆裂事故。

2.1 高溫蠕變失效

長期高溫運行時，在過熱蒸汽內(nèi)壓力下，鍋爐受熱面管材料主要承受切向應(yīng)力，在這種應(yīng)力的作用下，受熱面管徑發(fā)生變形、脹粗。 研究表明：鍋爐在設(shè)計壓力、額定溫度下正常工作時，過熱器的管子發(fā)生徑向蠕變，其蠕變速度大約相當(dāng)于10-7mm/h 數(shù)量級[2]。 然而在實際運行過程中，鍋爐受熱面管在惡劣的環(huán)境下長時間運行時，導(dǎo)致管壁材質(zhì)的強(qiáng)度下降，加快徑向蠕變速度，使其使用壽命達(dá)不到設(shè)計要求而產(chǎn)生損壞失效。 研究表明：碳鋼在300℃以上，低合金鋼在400℃以上就有發(fā)生蠕變的可能，蠕變速度隨溫度的提高而增大。 長期過熱環(huán)境下，受熱面管壁一直在材料的最高允許工作溫度以上、AC1 線以下溫度工作，使得鋼材性能降低，發(fā)生碳化物球化、石墨化等材質(zhì)裂化現(xiàn)象，最終導(dǎo)致受熱面管爆裂。 據(jù)研究表明，過熱器管子爆破事故多數(shù)是由于高溫蠕變而引起的[3]。 高溫蠕變失效的爆破口處呈粗糙性斷口，管壁減薄不多。

2.2 短時過熱失效

短時過熱失效一般發(fā)生在高溫受熱面管熱負(fù)荷最高的地方，如水冷壁管向火側(cè)。 循環(huán)流化床鍋爐在實際運行過程中， 爐膛溫度在短時間內(nèi)有可能突然上升甚至可以超過管壁材料的上臨界點Ac3，水冷壁或過熱器管子在這樣的短時高溫下，其抗拉強(qiáng)度將會急劇下降，與此同時，在管內(nèi)介質(zhì)壓力的作用下， 管壁溫度最高的向火側(cè)首先產(chǎn)生塑性變形，管子變形鼓包，管壁脹粗、減薄，然后發(fā)生剪切斷裂而爆漏，其爆破口附近管壁減薄很多， 且爆破口呈喇叭形， 其爆口邊緣十分鋒利，如圖1 所示。 由于受熱面管壁先承受短時高溫，然后又被介質(zhì)迅速的冷卻下來，這就相當(dāng)于對材料進(jìn)行不同程度的淬火處理，故通過對爆口處金相分析，其金相組織為馬氏體、貝氏體之類的淬硬組織，且其布氏硬度與原材料相比有所提高。

圖1 HG-410/9.8-L.PM19 型鍋爐末級過熱器受熱面管爆管宏觀形貌

2.3 高溫腐蝕失效

河南某電廠2# 機(jī)組， 鍋爐型號為YG-240/9.8-M5，于2012年7月投產(chǎn)，在首次內(nèi)部檢驗過程中發(fā)現(xiàn)水冷壁管外層為灰白色，下層為暗紅色或者黑色，屬于Fe2O3或Fe3O4產(chǎn)物，如圖2 所示，分析認(rèn)為這是H2S 氣體造成的高溫腐蝕。

圖2 YG-240/9.8-M5 型鍋爐水冷壁高溫腐蝕形貌

大型亞臨界電站鍋爐在正常工作時， 其燃燒器區(qū)域附近的水冷壁管內(nèi)汽水溫度大約在350℃左右，煙氣側(cè)水冷壁管溫度大約在420℃左右，而H2S 等腐蝕性介質(zhì)的腐蝕性在300℃以上逐步增強(qiáng)，即溫度每升高50℃，腐蝕程度將增加一倍[4-5]，因此鍋爐水冷壁管符合強(qiáng)烈高溫腐蝕的溫度范圍之內(nèi)。 并且在實際運行時鍋爐爐膛燃燒工況較差， 可能會出現(xiàn)缺氧燃燒， 當(dāng)在高壓加熱器停止運行時，使得給水溫度下降，為了保證鍋爐的出力，勢必要增加燃料損耗，加劇缺氧燃燒程度，燃燒產(chǎn)生的還原性氣體與管壁材料發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)作用，使得高溫受熱面管子減薄尤其是焊口處產(chǎn)生凹陷， 當(dāng)受熱面管壁減薄超過其設(shè)計最小壁厚不能承受管內(nèi)介質(zhì)壓力時，即引起爆管泄漏。

碳鋼在大于570℃的高溫下會發(fā)生高溫氧化， 氧化使得材質(zhì)脫碳劣化，同時由于氧化層降低了受熱面管的導(dǎo)熱系數(shù)， 從而降低了管壁的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)致水冷壁管的平均運行溫度明顯提高，致使水冷壁管長期在超過設(shè)計溫度的狀態(tài)下運行， 最終導(dǎo)致受熱面管的失效。

2.4 疲勞失效

循環(huán)流化床鍋爐的受熱面管不僅承受交變應(yīng)力的作用，并且受熱面管在腐蝕介質(zhì)的長期作用下，與水接觸的金屬表面上的保護(hù)膜會被這種交變應(yīng)力所破壞， 特別容易在腐蝕坑及機(jī)械損傷的地方發(fā)生電化學(xué)不均一性，產(chǎn)生局部腐蝕現(xiàn)象，并且在這種交變應(yīng)力的作用下，在金屬材料的晶界薄弱區(qū)，導(dǎo)致不均勻滑移，從而產(chǎn)生裂紋，隨著腐蝕裂紋不斷的累積與發(fā)展，最終導(dǎo)致管子失效損壞。

同時，在鍋爐運行過程中，工作溫度時常發(fā)生變化，金屬材料的膨脹和收縮相互約束， 產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力，即熱應(yīng)力[6]。 隨著溫度的變化，熱應(yīng)力也將不斷變化，使得材料晶格間產(chǎn)生空位及缺陷的幾率增大，降低合金原子間的結(jié)合力，在晶間產(chǎn)生裂紋，金屬材料經(jīng)過多次周期性熱應(yīng)力的作用而使得裂紋逐漸累積引起損傷，最終導(dǎo)致破裂。

圖3 HG-410/9.8-L.PM19 型鍋爐冷灰斗處磨損宏觀形貌

2.5 磨損失效

圖3 為HG-410/9.8-L.PM19 型鍋爐冷灰斗處磨損宏觀形貌。 磨損失效的原因分為飛灰磨損和機(jī)械磨損，其中最主要的是飛灰磨損[7-8]。 吊掛在鍋爐爐膛和尾部煙道內(nèi)的受熱面管子，內(nèi)部為高溫高壓的汽水混合物，其承受了很大的應(yīng)力，當(dāng)煙氣通過受熱面時，灰粒以一定的速度沖擊受熱面管（特別是煙氣走廊的部位和煙氣轉(zhuǎn)彎處），使得管壁被沖刷而減薄，甚至減薄到設(shè)計最小壁厚以下，造成爆管事故。 鍋爐過熱器以及再熱器定位管（卡）松動或不到位， 使之相互接觸， 在鍋爐運行過程中產(chǎn)生機(jī)械磨擦，可以導(dǎo)致金屬表面機(jī)械磨損而爆破泄漏。

3 結(jié)語

近十年來河南省內(nèi)投產(chǎn)使用了一些循環(huán)流化床電站鍋爐， 其鍋爐受熱面長期在高溫、 高壓等交變負(fù)荷下運行，易產(chǎn)生損壞失效。 本文針對這些電廠鍋爐受熱面失效現(xiàn)狀，總結(jié)其失效形式及機(jī)理，為未來循環(huán)流化床電站鍋爐的安全運行、監(jiān)督檢驗工作提供參考。

［1］徐蒞，王復(fù)信.淺析循環(huán)流化床鍋爐常見運行缺陷及正確安裝［J］.新疆科技報，2010，3:1-2.

［2］馬崇.鍋爐受熱面管失效分析研究［D］.天津：天津大學(xué)，2005.

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［4］高勁松. 鍋爐受熱面管的失效機(jī)理及預(yù)防措施研究［D］.江西：南昌大學(xué)，2007.

［5］趙永寧，劉爽，魏玉忠.超（超）臨界鍋爐管用材料的缺陷和失效分析［J］.熱力發(fā)電，2010，39（4）:37-41.

［6］吳倩，曹振濤.鍋爐受熱面的材質(zhì)失效分析［J］.廣西輕工業(yè)，2011，146:49.

［7］曹振濤，吳倩，文斌.鍋爐受熱面的失效分析及整改［J］.廣西輕工業(yè)，2010，136（3）:42.

［8］張孝禮.大型火電廠鍋爐“四管”爆漏原因分析及防治對策［J］.寧夏電力，2009，1:47-51.