循环流化床锅炉高温受热面管失效现状研究

2015-08-12李卫东赵向南陈志刚

河南科技 2015年1期

李卫东李婧赵向南陈志刚

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南郑州 450016）

1 引言

近十几年来，循环流化床锅炉以其床料蓄热量大、燃烧稳定、操控方便以及效率高污染低等优点，在中压到亚临界特别是在35t/h～1000t/h 级电站锅炉这一区域占据了主导地位[1-2]。循环流化床锅炉受热面管材料的使用环境十分恶劣，在运行中非常容易产生失效损坏，造成受热面管泄漏。针对受热面管失效问题，国内外技术研究人员做了大量的工作，并且取得了一定的成果，但是锅炉受热面管的爆漏事故仍时有发生。锅炉受热面管的失效形式多种多样，多数情况下不是单一而是由多种因素共同作用造成的，因此，本文结合多年来的检验经验，总结了循环流化床锅炉受热面管多种失效形式，为以后循环流化床锅炉受热面管进行监督检验工作提供参考。

2 锅炉高温受热面管失效形式及原因

锅炉的高温受热面管在极其复杂、恶劣的环境下长期工作，因此锅炉受热面管的损坏一方面是由于各种介质对管壁的磨损、腐蚀，使得受热面管壁减薄超过其设计最小壁厚，造成爆漏。另一方面，运行时炉膛温度时常变化使的管壁材料组织变化，造成受热面管材料性能下降而发生爆裂事故。

2.1 高温蠕变失效

长期高温运行时，在过热蒸汽内压力下，锅炉受热面管材料主要承受切向应力，在这种应力的作用下，受热面管径发生变形、胀粗。研究表明：锅炉在设计压力、额定温度下正常工作时，过热器的管子发生径向蠕变，其蠕变速度大约相当于10-7mm/h 数量级[2]。然而在实际运行过程中，锅炉受热面管在恶劣的环境下长时间运行时，导致管壁材质的强度下降，加快径向蠕变速度，使其使用寿命达不到设计要求而产生损坏失效。研究表明：碳钢在300℃以上，低合金钢在400℃以上就有发生蠕变的可能，蠕变速度随温度的提高而增大。长期过热环境下，受热面管壁一直在材料的最高允许工作温度以上、AC1 线以下温度工作，使得钢材性能降低，发生碳化物球化、石墨化等材质裂化现象，最终导致受热面管爆裂。据研究表明，过热器管子爆破事故多数是由于高温蠕变而引起的[3]。高温蠕变失效的爆破口处呈粗糙性断口，管壁减薄不多。

2.2 短时过热失效

短时过热失效一般发生在高温受热面管热负荷最高的地方，如水冷壁管向火侧。循环流化床锅炉在实际运行过程中，炉膛温度在短时间内有可能突然上升甚至可以超过管壁材料的上临界点Ac3，水冷壁或过热器管子在这样的短时高温下，其抗拉强度将会急剧下降，与此同时，在管内介质压力的作用下，管壁温度最高的向火侧首先产生塑性变形，管子变形鼓包，管壁胀粗、减薄，然后发生剪切断裂而爆漏，其爆破口附近管壁减薄很多，且爆破口呈喇叭形，其爆口边缘十分锋利，如图1 所示。由于受热面管壁先承受短时高温，然后又被介质迅速的冷却下来，这就相当于对材料进行不同程度的淬火处理，故通过对爆口处金相分析，其金相组织为马氏体、贝氏体之类的淬硬组织，且其布氏硬度与原材料相比有所提高。

图1 HG-410/9.8-L.PM19 型锅炉末级过热器受热面管爆管宏观形貌

2.3 高温腐蚀失效

河南某电厂2# 机组，锅炉型号为YG-240/9.8-M5，于2012年7月投产，在首次内部检验过程中发现水冷壁管外层为灰白色，下层为暗红色或者黑色，属于Fe2O3或Fe3O4产物，如图2 所示，分析认为这是H2S 气体造成的高温腐蚀。

图2 YG-240/9.8-M5 型锅炉水冷壁高温腐蚀形貌

大型亚临界电站锅炉在正常工作时，其燃烧器区域附近的水冷壁管内汽水温度大约在350℃左右，烟气侧水冷壁管温度大约在420℃左右，而H2S 等腐蚀性介质的腐蚀性在300℃以上逐步增强，即温度每升高50℃，腐蚀程度将增加一倍[4-5]，因此锅炉水冷壁管符合强烈高温腐蚀的温度范围之内。并且在实际运行时锅炉炉膛燃烧工况较差，可能会出现缺氧燃烧，当在高压加热器停止运行时，使得给水温度下降，为了保证锅炉的出力，势必要增加燃料损耗，加剧缺氧燃烧程度，燃烧产生的还原性气体与管壁材料发生化学、电化学作用，使得高温受热面管子减薄尤其是焊口处产生凹陷，当受热面管壁减薄超过其设计最小壁厚不能承受管内介质压力时，即引起爆管泄漏。

碳钢在大于570℃的高温下会发生高温氧化，氧化使得材质脱碳劣化，同时由于氧化层降低了受热面管的导热系数，从而降低了管壁的导热性能，导致水冷壁管的平均运行温度明显提高，致使水冷壁管长期在超过设计温度的状态下运行，最终导致受热面管的失效。

2.4 疲劳失效

循环流化床锅炉的受热面管不仅承受交变应力的作用，并且受热面管在腐蚀介质的长期作用下，与水接触的金属表面上的保护膜会被这种交变应力所破坏，特别容易在腐蚀坑及机械损伤的地方发生电化学不均一性，产生局部腐蚀现象，并且在这种交变应力的作用下，在金属材料的晶界薄弱区，导致不均匀滑移，从而产生裂纹，随着腐蚀裂纹不断的累积与发展，最终导致管子失效损坏。

同时，在锅炉运行过程中，工作温度时常发生变化，金属材料的膨胀和收缩相互约束，产生附加温度应力，即热应力[6]。随着温度的变化，热应力也将不断变化，使得材料晶格间产生空位及缺陷的几率增大，降低合金原子间的结合力，在晶间产生裂纹，金属材料经过多次周期性热应力的作用而使得裂纹逐渐累积引起损伤，最终导致破裂。

图3 HG-410/9.8-L.PM19 型锅炉冷灰斗处磨损宏观形貌

2.5 磨损失效

图3 为HG-410/9.8-L.PM19 型锅炉冷灰斗处磨损宏观形貌。磨损失效的原因分为飞灰磨损和机械磨损，其中最主要的是飞灰磨损[7-8]。吊挂在锅炉炉膛和尾部烟道内的受热面管子，内部为高温高压的汽水混合物，其承受了很大的应力，当烟气通过受热面时，灰粒以一定的速度冲击受热面管（特别是烟气走廊的部位和烟气转弯处），使得管壁被冲刷而减薄，甚至减薄到设计最小壁厚以下，造成爆管事故。锅炉过热器以及再热器定位管（卡）松动或不到位，使之相互接触，在锅炉运行过程中产生机械磨擦，可以导致金属表面机械磨损而爆破泄漏。