電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷及失效性分析

李 恒

（國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司，江西 南昌 330100）

電站鍋爐內(nèi)的金屬四管件包括：再熱器管、水冷壁管、過(guò)熱器管以及省煤器管，由于電站鍋爐內(nèi)金屬四管件在受熱過(guò)程中很容易出現(xiàn)失效事故，造成電站鍋爐異常停運(yùn)。分析電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷，是防止電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效的主要途徑。我國(guó)對(duì)電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷的研究起步較早，早在1998年前就有對(duì)電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷分析的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)電站鍋爐內(nèi)金屬四管件宏觀形貌的分析，總結(jié)其失效原因，達(dá)到分析電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效性的目的。盡管通過(guò)此方法能夠取得了一定的研究成果，但存在分析不精準(zhǔn)的問(wèn)題。為此，本文提出電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷及失效性分析。希望通過(guò)本文研究，為提升電站鍋爐內(nèi)金屬四管件運(yùn)行的安全性能提供理論依據(jù)。

1 電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷分析

電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷共有9種，分別為：短時(shí)過(guò)熱爆管、腐蝕、應(yīng)力拉傷、應(yīng)力腐蝕、焊接缺陷、材質(zhì)不良、熱疲勞、磨損以及長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱。本文重點(diǎn)分析電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱中最常出現(xiàn)的3種缺陷，電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷框架圖，如圖1所示。

圖1 電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷框架圖

結(jié)合圖1所示，針對(duì)以上3種缺陷的具體分析內(nèi)容，如下文所述。

1.1 長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱爆管

現(xiàn)狀概述。在我國(guó)東北地區(qū)，發(fā)生一起電站鍋爐內(nèi)“四管”因長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱，從而導(dǎo)致鍋爐內(nèi)“四管”失效，不能進(jìn)行繼續(xù)工作。鍋爐內(nèi)的“四管”長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)過(guò)熱時(shí)，會(huì)出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，同時(shí)，水冷壁管也會(huì)出現(xiàn)熱管爆現(xiàn)象。

宏觀特征。鍋爐內(nèi)的爆口不大，管道內(nèi)的切面出現(xiàn)粗糙不平的情況，在管道的邊緣，則呈現(xiàn)出鈍邊、爆口附近有多條較長(zhǎng)的裂紋、同時(shí)，管道的減薄較少，在附近管內(nèi)外壁均出現(xiàn)較厚的氧化層。

微觀特征。金相組織球化較為嚴(yán)重，球化級(jí)別一般可達(dá)到4～5級(jí)。

失效原因。受熱的面管道出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，導(dǎo)致鍋爐內(nèi)的介質(zhì)循環(huán)不暢通，從而造成鍋爐管內(nèi)的內(nèi)壁有效面積不斷減小，導(dǎo)致熱交換不能充分完成；設(shè)計(jì)不合理，熱偏差太大；爐焦化，燃燒調(diào)節(jié)不正確，爐內(nèi)局部熱負(fù)荷過(guò)高，鍋爐水質(zhì)較差，使得受熱面蒸汽側(cè)被沉積物覆蓋，致使受熱面冷卻效果差，傳熱等的惡化現(xiàn)象發(fā)生。過(guò)熱的主要原因是因長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致金屬特性與韌性強(qiáng)度下降，并最終導(dǎo)致高度過(guò)熱區(qū)域的管道破裂。如果過(guò)熱時(shí)間較短或者過(guò)熱溫度尚未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值時(shí)，則要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)管道爆裂現(xiàn)象。

1.2 短時(shí)過(guò)熱爆管

電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱過(guò)程中，水冷壁管爆口邊緣會(huì)由于壁溫度短時(shí)超過(guò)相變點(diǎn)導(dǎo)致曝管[1，2]。電站鍋爐內(nèi)金屬四管件的短時(shí)過(guò)熱部位，可以將其視為斷裂力學(xué)的起點(diǎn)。金屬四管接頭的斷裂韌性與內(nèi)壁溫度之間的關(guān)系，可以達(dá)到消除內(nèi)應(yīng)力與降低硬度的目的，并提供金屬材料平衡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱短時(shí)過(guò)熱爆管主要依據(jù)金屬四管件自身的臨界點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到臨界點(diǎn)再退去之后，金屬四管件中位錯(cuò)會(huì)明顯減少，導(dǎo)致位錯(cuò)密度下降，從而造成電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷。

具有水冷壁的管的破裂邊緣的金相結(jié)構(gòu)分為兩種情況：第一，壁溫在短時(shí)間內(nèi)超過(guò)相變點(diǎn)，金相結(jié)構(gòu)為低碳馬氏體加貝氏體。其次，壁溫。在短時(shí)間內(nèi)爆炸而未超過(guò)相變點(diǎn)時(shí)，管道內(nèi)金相組織變形為珠光體加鐵素體。

1.3 應(yīng)力拉傷

當(dāng)電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱時(shí)，水冷壁管外部應(yīng)力較大，本文將測(cè)量切削刃，以衡量金屬四管件的機(jī)械性能，熱處理彈性剪切應(yīng)力作用下金屬四管增強(qiáng)件應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)分析的重要指標(biāo)。分析切削刃和應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)量，并表征金屬四管接頭抵抗剪切應(yīng)變的能力。金屬四管接頭的抗剪強(qiáng)度越強(qiáng)，四管金屬接頭的剛度就越高。由于發(fā)電廠(chǎng)的鍋爐中的金屬四通管件的熱處理溫度不同，因此金屬四通管件自身的物理性能在熱處理過(guò)程中也不同[3]。因此，金屬四管件溫度在經(jīng)過(guò)熱處理后必然會(huì)產(chǎn)生一定程度上的變化。設(shè)切邊模量為G，則其計(jì)算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，E指的是金屬四管件的彈性模量；U指的是金屬四管件切邊產(chǎn)生的先天性誤差；C指的是電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱處理溫度。設(shè)E為自變量，而其他參數(shù)保持不變時(shí)，G也會(huì)隨之發(fā)生變化。金屬四管件的彈性模量越大，金屬四管件的切邊模量數(shù)值越大，金屬四管件的彈性模量和切邊模量之間同樣為正比例增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)金屬四管件彈性模量數(shù)值增長(zhǎng)到熱膨脹系數(shù)最大時(shí)，導(dǎo)致應(yīng)力拉傷的電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷產(chǎn)生。

1.4 應(yīng)力腐蝕

由于電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱，金屬四管件受到煙氣成分影響，會(huì)被含有侵蝕性的陰離子介質(zhì)腐蝕[4]。應(yīng)力腐蝕受熱缺陷形成原因示意圖，如圖2所示。

圖2 應(yīng)力腐蝕受熱缺陷形成原因示意圖

結(jié)合圖2所示，造成電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷的原因主要包括：煙氣成分影響、管外積灰結(jié)渣以及傳熱不均勻。在電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱時(shí)，通過(guò)改變金屬四管接頭的內(nèi)部特性和結(jié)構(gòu)，會(huì)發(fā)生金屬四管接頭的相變和熱應(yīng)力。本文采用三種退火工藝，即亞溫度退火、間歇球體退火以及等溫球體退火，分析了電廠(chǎng)鍋爐金屬四通管件的加熱與金屬四通管件的應(yīng)力腐蝕之間的關(guān)系。退火工藝具體參數(shù)，如下表所示。

表1 退火工藝具體參數(shù)

結(jié)合表1信息，在退火期間的金屬四通管件的冷卻過(guò)程中，由于金屬四通管件的芯與表面層的冷卻速率的差異性，產(chǎn)生的熱應(yīng)力的量也改變。當(dāng)金屬四管接頭的芯冷卻時(shí)，其溫度必須高于表面溫度；當(dāng)金屬四管接頭的表面冷卻時(shí)，表面積必須大于芯子的表面積。殘余應(yīng)力是四管金屬退火過(guò)程中相對(duì)應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加的結(jié)果。退火過(guò)程中四管金屬的冷卻速率至關(guān)重要。本文通過(guò)計(jì)算電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱殘余應(yīng)力，以殘余應(yīng)力作為衡量應(yīng)力腐蝕程度的指標(biāo)。設(shè)電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱殘余應(yīng)力為δ，可得公式（2）：

公式（2）中，P指的是退火工藝中金屬四管件的冷卻速度；K指的是電站鍋爐內(nèi)金屬四管件的管壁厚度；R指的是電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱的周向應(yīng)力；r指的是電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱的軸向應(yīng)力。通過(guò)公式（2），可以得出電站鍋爐內(nèi)金屬四管件管子內(nèi)表面殘留物越多，導(dǎo)致金屬四管件管壁厚度增加，則含有侵蝕性的陰離子介質(zhì)濃縮越大，導(dǎo)致電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱應(yīng)力腐蝕缺陷越嚴(yán)重。

2 電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效類(lèi)型

本文通過(guò)確定電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效類(lèi)型，為電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效性分析提供依據(jù)[5]。電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效類(lèi)型，如下表所示。

表2 電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效類(lèi)型

結(jié)合表2信息可知，電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效類(lèi)型共包括6種，且表中的每種原因都會(huì)引起電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效。

3 電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效性分析

以電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效類(lèi)型為基準(zhǔn)，綜合分析電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效性。在電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱時(shí)，溫度最高可達(dá)700攝氏度，因此，金屬四管件的工作環(huán)境十分惡劣[6]。不僅要承受高溫、高壓，還會(huì)受到煙氣的影響，造成電站鍋爐內(nèi)金屬四管件的損傷，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)燃燒不均勻形成的強(qiáng)熱傳導(dǎo)部位以及水冷壁易遭氫損害的部位很容易造成受熱失效。在周而復(fù)始的工作中，當(dāng)電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱磨損累計(jì)到一定程度時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)熱疲勞，進(jìn)而形成裂紋，導(dǎo)致電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效。綜上所述，引發(fā)電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效的原因是多種多樣的，必須結(jié)合電站鍋爐內(nèi)金屬四管件的具體工作環(huán)境，針對(duì)性的分析其產(chǎn)生失效的具體原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

考慮到電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效方面的研究愈發(fā)的受到重視，提高電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱的安全性長(zhǎng)期以來(lái)一直是相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的重點(diǎn)研究問(wèn)題。因此，本文對(duì)電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷及失效性分析是十分必要的，且具有現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱缺陷及失效性分析，希望能夠?yàn)榻档碗娬惧仩t內(nèi)金屬四管件受熱失效的頻率提供參考。但本文唯一不足之處在于，沒(méi)有對(duì)防止電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱失效的具體對(duì)策進(jìn)行深入分析，可以作為電站鍋爐內(nèi)金屬四管件受熱領(lǐng)域日后的研究?jī)?nèi)容之一。