組織球化級別用于管道服役壽命的思考

薄強(qiáng)浩

摘要：通過對火電鍋爐安全性能檢驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)問題的分析，結(jié)合生產(chǎn)狀況，就電站用鋼長期高溫運(yùn)行所產(chǎn)生的球化現(xiàn)象，對鍋爐受熱面、蒸汽管道蠕變性能的影響作簡要分析，對金相組織球劃級別用于管子使用、判廢提出幾點(diǎn)思考。

關(guān)鍵詞：球化;蠕變;受熱面;判廢

1 前言

據(jù)國內(nèi)300MW以上電站鍋爐可靠性統(tǒng)計(jì)，鍋爐非計(jì)劃停運(yùn)中四管泄漏導(dǎo)致的占60%左右，居原因的首位。其中由于受熱面和蒸汽管道長期在高溫下運(yùn)行，部件組織嚴(yán)重惡化，出現(xiàn)球化現(xiàn)象，導(dǎo)致管道的蠕變強(qiáng)度急劇下降，造成失效屬于最常見的現(xiàn)象。因此，通過認(rèn)真細(xì)致的安全性檢查，探索材料的蠕變機(jī)理，對于控制構(gòu)件的失效，節(jié)約成本，減少沒有必要的非計(jì)劃停機(jī)具有重要意義。

2 球化

眾所周知，電站所用的鋼管材料大多含有合金成分，合金鋼管長期在高溫高壓下運(yùn)行會造成組織性能的惡化，出現(xiàn)珠光體的球化、碳化物的聚集和合金元素的再分配，這種組織變化表現(xiàn)為珠光體中的碳化物由片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?，?xì)小分散的碳化物聚集成大顆粒碳化物。這種變化將引起鋼的強(qiáng)烈軟化，導(dǎo)致高溫強(qiáng)度的降低，常溫下的σb、σs也有所降低。低合金耐熱鋼的正常組織為P+F，珠光體由片狀滲碳體和片狀的鐵素體相間組成，由于片狀物的表面能比球狀物的表面能大，所以片狀珠光體是一種亞穩(wěn)組織，其中滲碳體有轉(zhuǎn)化為球狀碳化物，并聚集長大的發(fā)展趨勢，這個(gè)轉(zhuǎn)變要通過碳原子的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)。因此，凡是影響到碳原子擴(kuò)散的因素都將影響珠光體和碳化物的聚集。

3 蠕變

3.1 蠕變現(xiàn)象

材料在高溫和恒定的應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會發(fā)生緩慢的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為蠕變。所以，蠕變是在恒定應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的延長而材料持續(xù)形變的過程。在高溫條件下，材料卻有著與常溫下不同的蠕變行為，借助于高溫作用和外力作用，材料出現(xiàn)前文所說的球化，形變障礙得到克服，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生遷移，晶界相對移動，于是蠕變現(xiàn)象就很容易產(chǎn)生了。

3.2 蠕變的過程

蠕變可分為四個(gè)階段，即：起始區(qū)域，蠕變減速階段，蠕變穩(wěn)態(tài)階段，加速蠕變階段，下面主要介紹蠕變減速，穩(wěn)態(tài)和加速階段。

如圖所示，Ι 區(qū)域是我們熟知的高溫蠕變減速階段，曲線斜率減小，意味著應(yīng)變速率隨著時(shí)間的遞增而遞減。到達(dá)b點(diǎn)時(shí)，曲線斜率接近一個(gè)常數(shù)，小于在a點(diǎn)時(shí)的速率。Ⅱ區(qū)域我們稱為蠕變穩(wěn)態(tài)階段，這一階段特點(diǎn)是蠕變速率幾乎不變，從圖像反映出來是一條直線。而Ⅲ區(qū)域，就是加速蠕變階段，特點(diǎn)是蠕變速率隨時(shí)間增加而增加，曲線變陡。能預(yù)言到最后，蠕變過大，材料斷裂破壞。

3.3 組織對蠕變的影響

3.3.1 組織片層取向的影響

Fe-C合金的片層組織變形存在顯著的各向異性.這必然會對多晶體片層組織的蠕變性能產(chǎn)生重要影響.因?yàn)樵谌渥冞^程中， 相鄰晶粒可能由于各晶粒中片層取向的不同而導(dǎo)致變形的不協(xié)調(diào)性， 勢必在晶界上產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中， 當(dāng)應(yīng)力與片層的夾角為45°時(shí)，蠕變強(qiáng)度最低。

3.3.2晶粒尺寸的影響

當(dāng)材料具有較大的晶粒尺寸時(shí)， 由于相鄰晶粒變形的不協(xié)調(diào)性造成的晶間或片層間裂紋在擴(kuò)展到晶界或三角晶界等障礙之前， 長度就可能超過其臨界裂紋長度而導(dǎo)致試樣的斷裂.因此， 減小晶粒尺寸， 有利于提高合金的蠕變損傷容限， 從而延長合金的蠕變壽命。

4受熱面管的失效

4.1高溫氧化腐蝕失效

過熱器、再熱器在高溫、應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)下長期工作，管子外壁受高溫?zé)煔獾臎_刷腐蝕，產(chǎn)生高溫?zé)煔庋趸g產(chǎn)生高溫?zé)煔庋趸g;管子內(nèi)部受流動過熱蒸汽溫度和壓力的作用，產(chǎn)生高溫蒸汽氧化腐蝕，這樣，在內(nèi)外腐蝕作用下，受熱面管材過熱、變薄、老化，直至失效爆管。

煙氣側(cè)的高溫腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，高溫腐蝕主要是硫酸鹽型高溫腐蝕。鍋爐在運(yùn)行中，管壁中的鐵與氧反應(yīng)生成一層很薄的氧化鐵，該氧化鐵對管壁具有保護(hù)作用，但是，如果在過熱蒸汽器、再熱蒸汽器煙氣側(cè)產(chǎn)生硫酸鹽型高溫腐蝕，就會破壞這層穩(wěn)定的氧化鐵保護(hù)層，管壁會因腐蝕而變薄，造成受熱面失效。硫酸鹽型腐蝕多發(fā)生在550～710 ℃的溫度下，其中在650～700 ℃的溫度下腐蝕最強(qiáng)烈。

5 解決高溫受熱面超溫問題的對策

5.1壁溫測量盡量準(zhǔn)確

壁溫測點(diǎn)選擇合適及在可能超溫的地方加裝必要的測點(diǎn)，將測點(diǎn)裝在實(shí)際最高壁溫的管子上，改進(jìn)安裝方法，使熱電偶的接點(diǎn)能可靠地與管壁接觸;盡量推廣和應(yīng)用鍋爐“四管” 泄漏的在線檢測技術(shù)。

5.2做好運(yùn)行調(diào)整工作

a） 做好燃燒調(diào)整工作，保持合適的爐膛火焰中心，防止火焰偏斜。對超溫嚴(yán)重的鍋爐進(jìn)行針對性較強(qiáng)的燃燒調(diào)整試驗(yàn)，調(diào)整好鍋爐燃燒的配風(fēng)及火焰中心高度，找出合理的運(yùn)行方式，緩解超溫問題。

b） 運(yùn)行中控制好機(jī)組起停、磨煤機(jī)升降負(fù)荷的調(diào)節(jié)速度，避免變化速度過快造成的超溫;保持受熱面內(nèi)外的清潔;減少因空氣預(yù)熱器和爐膛本體漏風(fēng)引起的超溫。

c） 控制好爐膛出口煙溫和管內(nèi)蒸汽溫度不超溫并及時(shí)投入減溫裝置。

5.3防止或減輕高溫氧化腐蝕

a） 嚴(yán)格按照鍋爐監(jiān)察和金屬監(jiān)督規(guī)程，嚴(yán)禁超溫、超壓運(yùn)行，加強(qiáng)爐水管理，把pH值控制在要求的范圍內(nèi)。停爐檢修期間，要采取妥善的防腐措施。根據(jù)蒸汽側(cè)高溫氧化腐蝕機(jī)理，采取措施，減輕或防止高溫腐蝕的發(fā)生。

b） 硫酸鹽高溫腐蝕的程度主要與溫度的高低有關(guān)，溫度越高，腐蝕越嚴(yán)重，控制管壁溫度是減輕高溫腐蝕的最有效辦法。在實(shí)際應(yīng)用中，有以下一些具體方法：把過熱蒸汽、再熱蒸汽溫度控制在一定范圍內(nèi);把過熱蒸汽器、再熱蒸汽器及固定件等易腐蝕部件布置在低溫?zé)煔鈪^(qū);合理布置過熱蒸汽器、再熱蒸汽器系統(tǒng)，使金屬溫度維持在腐蝕危險(xiǎn)溫度以下。

結(jié)束語

大型鍋爐高溫受熱面，蒸汽管道長時(shí)間的高溫運(yùn)行，勢必導(dǎo)致組織的球化和性能惡化，造成構(gòu)件的強(qiáng)度、硬度，特別是高溫蠕變性能降低，給設(shè)備運(yùn)行帶來隱患。受熱面等高溫失效以蠕變?yōu)橹?，其壽命評估即基于此，所以很有必要對這方面的問題進(jìn)行細(xì)致深入的研究和攻關(guān)，提早預(yù)判，減少爆管對生產(chǎn)運(yùn)行的影響。

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