组织球化级别用于管道服役寿命的思考

薄强浩

摘要：通过对火电锅炉安全性能检验和发现问题的分析，结合生产状况，就电站用钢长期高温运行所产生的球化现象，对锅炉受热面、蒸汽管道蠕变性能的影响作简要分析，对金相组织球划级别用于管子使用、判废提出几点思考。

关键词：球化;蠕变;受热面;判废

1 前言

据国内300MW以上电站锅炉可靠性统计，锅炉非计划停运中四管泄漏导致的占60%左右，居原因的首位。其中由于受热面和蒸汽管道长期在高温下运行，部件组织严重恶化，出现球化现象，导致管道的蠕变强度急剧下降，造成失效属于最常见的现象。因此，通过认真细致的安全性检查，探索材料的蠕变机理，对于控制构件的失效，节约成本，减少没有必要的非计划停机具有重要意义。

2 球化

众所周知，电站所用的钢管材料大多含有合金成分，合金钢管长期在高温高压下运行会造成组织性能的恶化，出现珠光体的球化、碳化物的聚集和合金元素的再分配，这种组织变化表现为珠光体中的碳化物由片状转变为球状，细小分散的碳化物聚集成大颗粒碳化物。这种变化将引起钢的强烈软化，导致高温强度的降低，常温下的σb、σs也有所降低。低合金耐热钢的正常组织为P+F，珠光体由片状渗碳体和片状的铁素体相间组成，由于片状物的表面能比球状物的表面能大，所以片状珠光体是一种亚稳组织，其中渗碳体有转化为球状碳化物，并聚集长大的发展趋势，这个转变要通过碳原子的扩散来实现。因此，凡是影响到碳原子扩散的因素都将影响珠光体和碳化物的聚集。

3 蠕变

3.1 蠕变现象

材料在高温和恒定的应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形，这种现象称为蠕变。所以，蠕变是在恒定应力作用下，随着时间的延长而材料持续形变的过程。在高温条件下，材料却有着与常温下不同的蠕变行为，借助于高温作用和外力作用，材料出现前文所说的球化，形变障碍得到克服，内部质点发生迁移，晶界相对移动，于是蠕变现象就很容易产生了。

3.2 蠕变的过程

蠕变可分为四个阶段，即：起始区域，蠕变减速阶段，蠕变稳态阶段，加速蠕变阶段，下面主要介绍蠕变减速，稳态和加速阶段。

如图所示，Ι 区域是我们熟知的高温蠕变减速阶段，曲线斜率减小，意味着应变速率随着时间的递增而递减。到达b点时，曲线斜率接近一个常数，小于在a點时的速率。Ⅱ区域我们称为蠕变稳态阶段，这一阶段特点是蠕变速率几乎不变，从图像反映出来是一条直线。而Ⅲ区域，就是加速蠕变阶段，特点是蠕变速率随时间增加而增加，曲线变陡。能预言到最后，蠕变过大，材料断裂破坏。

3.3 组织对蠕变的影响

3.3.1 组织片层取向的影响

Fe-C合金的片层组织变形存在显著的各向异性.这必然会对多晶体片层组织的蠕变性能产生重要影响.因为在蠕变过程中， 相邻晶粒可能由于各晶粒中片层取向的不同而导致变形的不协调性， 势必在晶界上产生较大的应力集中， 当应力与片层的夹角为45°时，蠕变强度最低。

3.3.2晶粒尺寸的影响

当材料具有较大的晶粒尺寸时， 由于相邻晶粒变形的不协调性造成的晶间或片层间裂纹在扩展到晶界或三角晶界等障碍之前， 长度就可能超过其临界裂纹长度而导致试样的断裂.因此， 减小晶粒尺寸， 有利于提高合金的蠕变损伤容限， 从而延长合金的蠕变寿命。

4受热面管的失效

4.1高温氧化腐蚀失效

过热器、再热器在高温、应力、腐蚀介质下长期工作，管子外壁受高温烟气的冲刷腐蚀，产生高温烟气氧化腐蚀产生高温烟气氧化腐蚀;管子内部受流动过热蒸汽温度和压力的作用，产生高温蒸汽氧化腐蚀，这样，在内外腐蚀作用下，受热面管材过热、变薄、老化，直至失效爆管。

烟气侧的高温腐蚀是一个复杂的物理化学过程，高温腐蚀主要是硫酸盐型高温腐蚀。锅炉在运行中，管壁中的铁与氧反应生成一层很薄的氧化铁，该氧化铁对管壁具有保护作用，但是，如果在过热蒸汽器、再热蒸汽器烟气侧产生硫酸盐型高温腐蚀，就会破坏这层稳定的氧化铁保护层，管壁会因腐蚀而变薄，造成受热面失效。硫酸盐型腐蚀多发生在550～710 ℃的温度下，其中在650～700 ℃的温度下腐蚀最强烈。

5 解决高温受热面超温问题的对策

5.1壁温测量尽量准确

壁温测点选择合适及在可能超温的地方加装必要的测点，将测点装在实际最高壁温的管子上，改进安装方法，使热电偶的接点能可靠地与管壁接触;尽量推广和应用锅炉“四管” 泄漏的在线检测技术。

5.2做好运行调整工作

a） 做好燃烧调整工作，保持合适的炉膛火焰中心，防止火焰偏斜。对超温严重的锅炉进行针对性较强的燃烧调整试验，调整好锅炉燃烧的配风及火焰中心高度，找出合理的运行方式，缓解超温问题。

b） 运行中控制好机组起停、磨煤机升降负荷的调节速度，避免变化速度过快造成的超温;保持受热面内外的清洁;减少因空气预热器和炉膛本体漏风引起的超温。

c） 控制好炉膛出口烟温和管内蒸汽温度不超温并及时投入减温装置。

5.3防止或减轻高温氧化腐蚀

a） 严格按照锅炉监察和金属监督规程，严禁超温、超压运行，加强炉水管理，把pH值控制在要求的范围内。停炉检修期间，要采取妥善的防腐措施。根据蒸汽侧高温氧化腐蚀机理，采取措施，减轻或防止高温腐蚀的发生。

b） 硫酸盐高温腐蚀的程度主要与温度的高低有关，温度越高，腐蚀越严重，控制管壁温度是减轻高温腐蚀的最有效办法。在实际应用中，有以下一些具体方法：把过热蒸汽、再热蒸汽温度控制在一定范围内;把过热蒸汽器、再热蒸汽器及固定件等易腐蚀部件布置在低温烟气区;合理布置过热蒸汽器、再热蒸汽器系统，使金属温度维持在腐蚀危险温度以下。

结束语

大型锅炉高温受热面，蒸汽管道长时间的高温运行，势必导致组织的球化和性能恶化，造成构件的强度、硬度，特别是高温蠕变性能降低，给设备运行带来隐患。受热面等高温失效以蠕变为主，其寿命评估即基于此，所以很有必要对这方面的问题进行细致深入的研究和攻关，提早预判，减少爆管对生产运行的影响。

参考文献：

[1]王晓雷主编. 承压类设备无损检测相关知识[M]. 北京：中国劳动社会保障出版社，2007

[2]李兵.10CrMo901 主蒸汽管道组织球化后的安全性评定[J].锅炉技术，2003

[3]张而耕.12Cr1MoV高温组织转变及判废标准探讨[J].石油化工腐蚀与防护，2010