一台75t/h锅炉高温部件金属组织普遍劣化的原因分析

陈 浩 钱宏利 强君刚

（呼伦贝尔市特种设备检验所，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

一台75t/h锅炉高温部件金属组织普遍劣化的原因分析

陈 浩 钱宏利 强君刚

（呼伦贝尔市特种设备检验所，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

某发电厂3#锅炉运行时间不到8万h，高温部件金属组织即发生了普遍劣化。本文通过理论分析，并进行数据计算，对出现这一情况的原因进行分析研究，提出解决思路。

锅炉高温部件；材质劣化；低负荷运行；过热器超温

某发电厂3#锅炉为中温、中压、单汽包自然循环煤粉锅炉，型号为*G-75/3.82-HM15，Π型布置，炉膛四周布置膜式水冷壁，在炉膛出口处布置凝渣管，水平烟道布置两级过热器，尾部竖井从上到下交叉布置两级省煤器和两级空气预热器。锅炉采用单段蒸发，过热器温度采用喷水调节，燃烧器为带夹心十字风直流燃烧器，正四角布置，1#、3#角切圆，2#、4#角对冲。设计煤种为宝日希勒煤矿褐煤，原煤低位发热量为2978kcal/kg，原煤水分为34.71%。

2.15年8月份我所对该炉进行了内外部检验，发现锅炉高温部件金属组织发生了普遍劣化。

一、材质劣化的范围及判定

检验中初步对集汽集箱及高过出口集箱进行了金相检测，发现两个集箱的金属组织珠光体皆严重球化，现场金相照片见图1。

图1

照片显示，金相组织中的珠光体区域形态已完全消失，碳化物球状分布在铁素体晶界。组织特征按《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》为珠光体球化5级。

经对3#炉集汽集箱、高过出口集箱金相复查及进一步扩大范围检验发现，锅炉高温部件金属组织发生了普遍劣化。金相检验情况见下表1。

表1

经了解，3#锅炉的运行时间不到8万小时，高温过热器出口集箱等高温部件的材质为12Cr1MoV，同时检验的1#、2#锅炉（运行参数相同，不同厂家制造）运行时间比3#锅炉长得多，高温部件材质为碳钢20G，球化程度却低于3#锅炉的水平。为什么会有这样的情况出现呢？

二、珠光体球化原理

锅炉用碳素钢和低合金钢，在常温下的组织一般为铁素体+珠光体。珠光体晶粒中的铁素体和渗碳体是呈薄片状相互间杂的。片状珠光体是不稳定的组织，其中的片状渗碳体有自行转变为球状并聚集成球团的趋势，当珠光体钢在高温下长期使用时，由于温度较高时原子的活动能力强，扩散速度增加，珠光体中的片状渗碳体会逐渐转变为球状渗碳体，并缓慢聚集长大成球团，这种现象称为珠光体球化。珠光体球化的结果使材料的常温强度和高温强度显著降低，包括材料的屈服点、抗拉强度、冲击韧度、蠕变极限和持久极限各指标全面下降，塑性、韧性变差，材质老化，严重影响材料的继续安全服役。

影响球化的因素主要有两个方面：高温和在高温下停留的时间，加大其中任一个因素，都将加快其球化的程度。

三、锅炉运行相关情况

1.锅炉制粉系统出力不够。

3.#锅炉于2001年安装，并于同年11月份建成投产。按设计，该炉的正压直吹式制粉系统采用高温炉烟（980℃）掺热风（460℃）干燥，高温炉烟从水冷壁两侧抽出，热风来自空气预热器高温段出口，配套安装3台S14.75风扇磨煤机，两台运行，一台备用。投产后，燃用设计煤种，投用两套制粉系统时，不能满足锅炉额定工况运行所需，锅炉燃烧不稳定，锅炉出力在55t/h以下。采用三套制粉系统运行时，锅炉最大出力也仅为70t/h，不但增加了厂用电，同时因为没有备用制粉系统，给锅炉安全稳定运行带来了很大的影响。

2.燃烧稳定性问题。

因高温炉烟管道流通截面积不够，导致运行风扇磨通过备用风扇磨经一次风管道从炉膛倒抽高温烟气，破坏了炉内的空气动力场，即破坏了炉膛内的燃烧工况。锅炉采用带夹心十字风的直流燃烧器，十字风管道由于高温烟气倒抽而烧损，同时损坏的十字风管道增加了一次风阻力，扰乱了煤粉气流，使燃烧器出口着火不稳定，这种情况在锅炉低负荷情况下更为明显。

3.高温部件超温情况。

据可查的运行记录显示，3#炉的出口蒸汽多次超温，仅2015年5月就有11次。

4.减温水用量较大。

与1#炉、2#炉相比，3#炉的减温水用量明显较大，经查1#炉、2#炉的减温水用量为4-6t/h，而3#炉的减温水用量在6～8t/h。

四、低负荷运行导致过热器超温的理论分析

依据《锅炉机组热力计算标准方法》，1973年版，前苏联热工研究所和前苏联中央汽轮机研究所（以下简称《标准方法》）。目前，我国小型发电锅炉设计中的热力计算大多沿用该方法。

炉内介质和受热面的辐射换热方程式为：

式中：Qл——炉内传热量，kcal/kg。

σ0——绝对黑体的辐射常数，4.9×10-8，

kcal/（m2.K4）；

aк——炉膛的折算黑度；

Hл——炉子的辐射受热面积，m2；

B0——计算燃料消耗量，kg/h；

x——考虑介质选择性辐射换热的影响的系数；

TФ——炉内介质的绝对有效温度，K；

Tэ——污染表层的绝对温度，K。

为便于分析，不采用单位燃料公式，则式（1）变换为：

该锅炉运行期间的实际出力为额定负荷的69%～80%，实际负荷时，锅炉结构未变，aк、Hл和x基本不变，由于汽轮机对工作压力的要求，锅炉工作压力基本不变，Tэ未变。

设实际负荷为X%，则两工况的传热比值为：

根据以上计算，在保证锅炉出口压力的前提下，锅炉负荷与工况变化如下表2（BR L表示锅炉额定工况）：

表2

由表2可以看出，锅炉负荷降低时，烟温下降幅度与过热器内工质流量下降幅度不成正比，也就是说，锅炉的长期低负荷运行会造成过热器长期在高温下运行。

五、球化原因综合分析

由于制粉系统出力不足及燃烧器损坏等原因，使炉膛燃烧不稳定，产生的热量不足，为保障锅炉出口蒸汽压力，运行中冲刷过热器的烟气温度降幅明显小于过热器内蒸汽流量的降幅，也就是说，锅炉长期的低负荷运行会造成其高温部件的长期超温，加大了球化的速率，从而在较短的时间里出现普遍材料的劣化现象。减温水用量的增大也佐证了过热蒸汽温度偏高这一情况。减温器设在低过出口集箱和高过入口集箱之间，高过入口集箱的珠光体球化程度低于低过出口集箱，说明减温器的减温作用使过热蒸汽的温度得以缓解，但经过高温过热器后，蒸汽会再次出现超温。

六、解决该台锅炉高温部件超温问题的思路

鉴于上述分析，简单的更换材质劣化的部件不能从根本上解决问题，解决问题的思路有：

1.对制粉系统进行彻底的改造，增大高温炉烟管道流通截面积，提高风扇磨干燥风量，使制粉系统出力达到设计要求，进而保障锅炉在额定工况下运行。

2.修复烧损的十字风燃烧器，减少一次风管道阻力，稳定燃烧器出口气流，使其着火稳定，提高锅炉燃烧稳定性和负荷调节范围。

3.加强运行管理，严格控制各级过热器出口温度，杜绝超温现象。

七、结语

根据以上分析，无论是由于制粉系统处理不足及燃烧器损坏的原因，还是负荷要求的原因等，只要该锅炉长期低负荷运行，均会出现过热器金属壁面温度超温的现象。因此，对于有过热器的锅炉，建议不要在低负荷的状态下长期运行。如果有过热器的锅炉需要长期在低负荷状态下运行，应对过热器采取有效的保护措施。对存在长期低负荷运行工况的电站锅炉实施检验时，对高温部件材料的组织性能检测要引起足够的重视。

[1]前苏联热工研究所和前苏联中央汽轮机研究所.锅炉机组热力计算标准方法，1973.

[2]强天鹏.压力容器检验[M].北京：新华出版社.2008.

[3]DL/T773《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》，2001.

TE968

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1671-0711（2016）05-0056-03