電站鍋爐過熱器和再熱器的失效模式及機(jī)理

馬加朋+蓋紅德+趙昆+戴家輝

摘 要：本文介紹了鍋爐過熱器和再熱器幾種常見的失效模式，包括過熱、高溫腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氧化皮脫落、疲勞開裂、氧腐蝕等，同時簡述了其形貌和機(jī)理，希望對于鍋爐過熱器和再熱器的預(yù)防失效和失效后處理提供參考。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐；過熱器；再熱器失效模式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.005

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求日益增加，高壓、超臨界和超超臨界的大型電站鍋爐大幅增多。但隨著鍋爐運行時間增加，受熱面爆管問題日漸增多。電站鍋爐中過熱器和再熱器系統(tǒng)是電站鍋爐中一個非常復(fù)雜的部分，管內(nèi)是一些溫度非常高的水蒸氣，而管外是高溫?zé)煔?，一般情況下，冷卻條件都比較差。對于亞臨界、超臨界鍋爐中的過熱系統(tǒng)中用的材質(zhì)眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很容易有多種損傷失效，其發(fā)生爆管的幾率比較大[1-5]。為預(yù)防過熱器和再熱器爆管，確保機(jī)組穩(wěn)定運行，相關(guān)人員應(yīng)該掌握過熱器和再熱器經(jīng)常發(fā)生的失效模式。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，本文對過熱器和再熱器常見的失效模式進(jìn)行了概述，展示了工作中遇到的各種失效圖片，并對其損傷機(jī)理進(jìn)行了闡述。

2 過熱器和再熱器失效模式

通常情況下，過熱器與再熱器的工作環(huán)境基本一致，并且損傷形式方面也很類似，一般有以下幾種：過熱、高溫腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氧化皮脫落、疲勞開裂和氧腐蝕等。

2.1 過熱

2.1.1 短時過熱

在實際運行期間，因為存在冷卻不完善等一些問題，很容易導(dǎo)致系統(tǒng)短時間內(nèi)溫度迅速升高，甚至達(dá)到所用材質(zhì)的臨界溫度導(dǎo)致的損傷。

短時過熱爆口具有韌性爆口形態(tài)，爆口處減薄明顯，邊緣鋒利，表面無明顯的氧化皮，附近一般無縱向裂紋（見圖1）。距爆口處遠(yuǎn)的金相組織正常，但是那些距離爆口處比較近則會由于溫度的高低不同，使金相組織存在一定的差異。如過熱溫度比較高，達(dá)到材料的Ac1～Ac3溫度區(qū)間，則靠近爆口處會出現(xiàn)馬氏體、貝氏體等過熱相急冷生成的組織；而過熱溫度比較低時，靠近爆口處一般沒有淬火組織。

短時過熱通常是由于過熱器等在正常運行過程中，受到了異物阻塞，這樣就會造成管內(nèi)蒸汽流量出現(xiàn)大幅減少的情況，最終可能會引起爆管。對于集箱中用堵板進(jìn)行隔離的過熱器系統(tǒng)，假如在運行期間，出現(xiàn)了堵板脫落等情況，將會造成過熱器管屏內(nèi)蒸汽流量減少，最終也會引起過熱爆管。

2.1.2 長時過熱

長時過熱其實就是指管子長時間內(nèi)壁溫超過設(shè)計壁溫，導(dǎo)致材質(zhì)嚴(yán)重劣化，從而造成材料的高溫持久性能下降，其超溫溫度較低，通常不會超過Ac1溫度[3，4]。

長時過熱爆口形貌見圖2，其爆口處并沒有出現(xiàn)明顯的減薄，并且它的開口相對比較小，其表面能夠觀察到具有氧化皮，一般情況下，爆口附近往往會存在一些縱向裂紋。爆口的主裂紋兩側(cè)有大量的蠕變裂紋和蠕變孔洞，蠕變裂紋沿晶界開裂。

有些時候，爆口的形式兼有短時過熱和長時過熱的特征，并不能完全區(qū)分。

2.2 高溫腐蝕

過熱器和再熱器的高溫腐蝕主要是硫酸鹽型高溫腐蝕。在運行過程中，由于煤灰中堿金屬含量過高，使迎風(fēng)面管壁收到長期的高溫腐蝕，導(dǎo)致材質(zhì)裂化和腐蝕減薄[1]。

發(fā)生高溫腐蝕的管子表面一般存在大量結(jié)焦，如圖3，去除表面結(jié)焦后可以看到，管子外壁存在較厚的棕紅色氧化皮，且管子表面存在不規(guī)則的溝槽，存在明顯局部減?。ㄒ妶D4）。

當(dāng)煤質(zhì)中堿金屬（K、Na）含量較高時，灰渣中的鈉鹽和鉀鹽在高溫下分解并生成硫酸鹽、焦硫酸鹽，最終形成復(fù)合硫酸鹽，因其熔點較低，復(fù)合硫酸鹽在管子表面呈熔融態(tài)，捕捉飛灰，導(dǎo)致結(jié)焦或結(jié)渣，并不斷腐蝕管子外壁的氧化皮，形成惡性循環(huán)。

2.3 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是指受熱面在實際工作期間產(chǎn)生較高的應(yīng)力，混合著管子彎頭、焊縫、安裝工藝等原因存在殘余應(yīng)力，這些因素都會造成存在非常高的復(fù)合應(yīng)力，在煤灰中氯化物、硫酸鹽、氫氧化物等雜質(zhì)形成的腐蝕環(huán)境聯(lián)合作用下造成的損傷[6]。

應(yīng)力腐蝕大多是在特定的材料和介質(zhì)組合下出現(xiàn)的，當(dāng)受到了這種腐蝕類型的破壞，通常會出現(xiàn)一兩個主裂紋，并且主裂紋上還會存在著一些小裂紋。裂紋走向宏觀上與拉應(yīng)力基本垂直，因為只有拉應(yīng)力才能引起應(yīng)力腐蝕，裂紋一般起源于部件表面。常見的典型應(yīng)力腐蝕是奧氏體不銹鋼在氯離子中的腐蝕，如圖5所示，其爆口處管子無脹粗；內(nèi)外壁沒有氧化皮或氧化皮減??；管內(nèi)壁有未裂透的小裂紋，見圖6；管子內(nèi)表面分布著點蝕坑，少量點蝕坑細(xì)小而深，成為裂紋源。

在實際加工期間，最容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的部位是那些形狀變化非常大的彎頭處（特別是在加工之后沒有對其進(jìn)行固溶處理的奧氏體不銹鋼，見圖7），由于這一部位在加工過程中會出現(xiàn)一定的形變，而且這個區(qū)域的運行溫度通常處于奧氏體不銹鋼的敏化溫度范圍內(nèi)，易導(dǎo)致奧氏體不銹鋼的晶間貧鉻，在腐蝕介質(zhì)的存在的情況下，很容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕，最終會造成管子開裂。

2.4 氧化皮脫落

亞臨界或超臨界鍋爐過熱器和再熱器的奧氏體不銹鋼管內(nèi)部氧化皮經(jīng)常脫落，給鍋爐設(shè)計和使用單位的造成了長期困擾。

鍋爐在實際運行期間，金屬氧化皮一般都會牢牢地附著在管壁上，然而由于鍋爐運行情況非常的復(fù)雜，例如頻繁啟停等，很容易使附著在金屬內(nèi)壁的氧化膜產(chǎn)生開裂，當(dāng)裂紋達(dá)到發(fā)生剝落的臨界條件時，氧化皮會慢慢地剝落[4，7]。這些剝落的氧化皮假如未能及時地被蒸汽帶走，那么將會逐漸的堆積，最終會造成管子蒸汽流通不暢，導(dǎo)致管子由于溫度過高而爆炸。奧氏體不銹鋼管內(nèi)氧化皮堆積見圖8。金屬氧化皮的脫落主要與金屬材料性質(zhì)和溫度變化的幅度有關(guān)。金屬材料和氧化皮的線膨脹系數(shù)相差越大、降溫速度越快，產(chǎn)生的應(yīng)力越大，氧化皮開裂脫落的可能性越大，所以奧氏體鋼在鍋爐啟停等變工況下更容易出現(xiàn)氧化皮剝離現(xiàn)象[8]。endprint