电站锅炉内金属四管件受热缺陷及失效性分析

李 恒

（国家电投集团江西电力有限公司新昌发电分公司，江西 南昌 330100）

电站锅炉内的金属四管件包括：再热器管、水冷壁管、过热器管以及省煤器管，由于电站锅炉内金属四管件在受热过程中很容易出现失效事故，造成电站锅炉异常停运。分析电站锅炉内金属四管件受热缺陷，是防止电站锅炉内金属四管件受热失效的主要途径。我国对电站锅炉内金属四管件受热缺陷的研究起步较早，早在1998年前就有对电站锅炉内金属四管件受热缺陷分析的经验，通过对电站锅炉内金属四管件宏观形貌的分析，总结其失效原因，达到分析电站锅炉内金属四管件受热失效性的目的。尽管通过此方法能够取得了一定的研究成果，但存在分析不精准的问题。为此，本文提出电站锅炉内金属四管件受热缺陷及失效性分析。希望通过本文研究，为提升电站锅炉内金属四管件运行的安全性能提供理论依据。

1 电站锅炉内金属四管件受热缺陷分析

电站锅炉内金属四管件受热缺陷共有9种，分别为：短时过热爆管、腐蚀、应力拉伤、应力腐蚀、焊接缺陷、材质不良、热疲劳、磨损以及长时过热。本文重点分析电站锅炉内金属四管件受热中最常出现的3种缺陷，电站锅炉内金属四管件受热缺陷框架图，如图1所示。

图1 电站锅炉内金属四管件受热缺陷框架图

结合图1所示，针对以上3种缺陷的具体分析内容，如下文所述。

1.1 长时过热爆管

现状概述。在我国东北地区，发生一起电站锅炉内“四管”因长时间过热，从而导致锅炉内“四管”失效，不能进行继续工作。锅炉内的“四管”长时间出现过热时，会出现爆管现象，同时，水冷壁管也会出现热管爆现象。

宏观特征。锅炉内的爆口不大，管道内的切面出现粗糙不平的情况，在管道的边缘，则呈现出钝边、爆口附近有多条较长的裂纹、同时，管道的减薄较少，在附近管内外壁均出现较厚的氧化层。

微观特征。金相组织球化较为严重，球化级别一般可达到4～5级。

失效原因。受热的面管道出现阻塞现象，导致锅炉内的介质循环不畅通，从而造成锅炉管内的内壁有效面积不断减小，导致热交换不能充分完成；设计不合理，热偏差太大；炉焦化，燃烧调节不正确，炉内局部热负荷过高，锅炉水质较差，使得受热面蒸汽侧被沉积物覆盖，致使受热面冷却效果差，传热等的恶化现象发生。过热的主要原因是因长时间的过热会导致金属特性与韧性强度下降，并最终导致高度过热区域的管道破裂。如果过热时间较短或者过热温度尚未达到标准限值时，则要经过较长时间才会出现管道爆裂现象。

1.2 短时过热爆管

电站锅炉内金属四管件受热过程中，水冷壁管爆口边缘会由于壁温度短时超过相变点导致曝管[1，2]。电站锅炉内金属四管件的短时过热部位，可以将其视为断裂力学的起点。金属四管接头的断裂韧性与内壁温度之间的关系，可以达到消除内应力与降低硬度的目的，并提供金属材料平衡的内部结构。电站锅炉内金属四管件受热短时过热爆管主要依据金属四管件自身的临界点，当温度达到临界点再退去之后，金属四管件中位错会明显减少，导致位错密度下降，从而造成电站锅炉内金属四管件受热缺陷。

具有水冷壁的管的破裂边缘的金相结构分为两种情况：第一，壁温在短时间内超过相变点，金相结构为低碳马氏体加贝氏体。其次，壁温。在短时间内爆炸而未超过相变点时，管道内金相组织变形为珠光体加铁素体。

1.3 应力拉伤

当电站锅炉内金属四管件受热时，水冷壁管外部应力较大，本文将测量切削刃，以衡量金属四管件的机械性能，热处理弹性剪切应力作用下金属四管增强件应力-应变状态分析的重要指标。分析切削刃和应力应变的测量，并表征金属四管接头抵抗剪切应变的能力。金属四管接头的抗剪强度越强，四管金属接头的刚度就越高。由于发电厂的锅炉中的金属四通管件的热处理温度不同，因此金属四通管件自身的物理性能在热处理过程中也不同[3]。因此，金属四管件温度在经过热处理后必然会产生一定程度上的变化。设切边模量为G，则其计算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，E指的是金属四管件的弹性模量；U指的是金属四管件切边产生的先天性误差；C指的是电站锅炉内金属四管件受热处理温度。设E为自变量，而其他参数保持不变时，G也会随之发生变化。金属四管件的弹性模量越大，金属四管件的切边模量数值越大，金属四管件的弹性模量和切边模量之间同样为正比例增长关系。当金属四管件弹性模量数值增长到热膨胀系数最大时，导致应力拉伤的电站锅炉内金属四管件受热缺陷产生。

1.4 应力腐蚀

由于电站锅炉内金属四管件受热，金属四管件受到烟气成分影响，会被含有侵蚀性的阴离子介质腐蚀[4]。应力腐蚀受热缺陷形成原因示意图，如图2所示。

图2 应力腐蚀受热缺陷形成原因示意图

结合图2所示，造成电站锅炉内金属四管件受热缺陷的原因主要包括：烟气成分影响、管外积灰结渣以及传热不均匀。在电站锅炉内金属四管件受热时，通过改变金属四管接头的内部特性和结构，会发生金属四管接头的相变和热应力。本文采用三种退火工艺，即亚温度退火、间歇球体退火以及等温球体退火，分析了电厂锅炉金属四通管件的加热与金属四通管件的应力腐蚀之间的关系。退火工艺具体参数，如下表所示。

表1 退火工艺具体参数

结合表1信息，在退火期间的金属四通管件的冷却过程中，由于金属四通管件的芯与表面层的冷却速率的差异性，产生的热应力的量也改变。当金属四管接头的芯冷却时，其温度必须高于表面温度；当金属四管接头的表面冷却时，表面积必须大于芯子的表面积。残余应力是四管金属退火过程中相对应力和热应力叠加的结果。退火过程中四管金属的冷却速率至关重要。本文通过计算电站锅炉内金属四管件受热残余应力，以残余应力作为衡量应力腐蚀程度的指标。设电站锅炉内金属四管件受热残余应力为δ，可得公式（2）：

公式（2）中，P指的是退火工艺中金属四管件的冷却速度；K指的是电站锅炉内金属四管件的管壁厚度；R指的是电站锅炉内金属四管件受热的周向应力；r指的是电站锅炉内金属四管件受热的轴向应力。通过公式（2），可以得出电站锅炉内金属四管件管子内表面残留物越多，导致金属四管件管壁厚度增加，则含有侵蚀性的阴离子介质浓缩越大，导致电站锅炉内金属四管件受热应力腐蚀缺陷越严重。

2 电站锅炉内金属四管件受热失效类型

本文通过确定电站锅炉内金属四管件受热失效类型，为电站锅炉内金属四管件受热失效性分析提供依据[5]。电站锅炉内金属四管件受热失效类型，如下表所示。

表2 电站锅炉内金属四管件受热失效类型

结合表2信息可知，电站锅炉内金属四管件受热失效类型共包括6种，且表中的每种原因都会引起电站锅炉内金属四管件受热失效。

3 电站锅炉内金属四管件受热失效性分析

以电站锅炉内金属四管件受热失效类型为基准，综合分析电站锅炉内金属四管件受热失效性。在电站锅炉内金属四管件受热时，温度最高可达700摄氏度，因此，金属四管件的工作环境十分恶劣[6]。不仅要承受高温、高压，还会受到烟气的影响，造成电站锅炉内金属四管件的损伤，导致炉内燃烧不均匀形成的强热传导部位以及水冷壁易遭氢损害的部位很容易造成受热失效。在周而复始的工作中，当电站锅炉内金属四管件受热磨损累计到一定程度时，必然会出现热疲劳，进而形成裂纹，导致电站锅炉内金属四管件受热失效。综上所述，引发电站锅炉内金属四管件受热失效的原因是多种多样的，必须结合电站锅炉内金属四管件的具体工作环境，针对性的分析其产生失效的具体原因。

4 结束语

考虑到电站锅炉内金属四管件受热失效方面的研究愈发的受到重视，提高电站锅炉内金属四管件受热的安全性长期以来一直是相关领域学者的重点研究问题。因此，本文对电站锅炉内金属四管件受热缺陷及失效性分析是十分必要的，且具有现实意义。通过电站锅炉内金属四管件受热缺陷及失效性分析，希望能够为降低电站锅炉内金属四管件受热失效的频率提供参考。但本文唯一不足之处在于，没有对防止电站锅炉内金属四管件受热失效的具体对策进行深入分析，可以作为电站锅炉内金属四管件受热领域日后的研究内容之一。