電站鍋爐防焦箱鼓包壽命預測新方法

潘金平，潘柏定，程宏輝，祝新偉，徐祥明，李路明

(1.嘉興市特種設備檢測院，浙江嘉興 314051;2.揚州大學機械工程學院，江蘇揚州 225127)

0 引言

鼓包對于電站鍋爐受壓元件比較常見，如鍋爐爐管鼓包、集箱鼓包、汽包鼓包等，對于鍋爐受壓元件鼓包原因較常見的分析是鍋爐給水不良，造成鍋爐受壓元件內部結垢過熱造成鼓包［1－4］，但未見有文獻分析受壓元件鼓包形成的機理和微觀組織結構變化對鼓包的進程起到的作用，另外，更少文獻提及受壓元件高溫防腐漆的作用及對受壓元件鼓包形成過程所起的作用。文中從一起普通的防焦箱鼓包事故對鼓包形成的內在機理及高溫防腐漆對鼓包成因的影響進行深入分析探討，并利用Matlab建立相關數據模型，根據該模型，提出一種新的檢驗球化程度的方法，并以此來預測防焦箱等受壓元件的剩余壽命，同時可以取代現場金相這種繁瑣的檢測方式。

1 檢測方法和結果

1.1 宏觀檢查

某單位于2001年6月投用一臺 SHL20－2.45/400AⅡ鍋爐，額定蒸發量20 t/h，使用壓力2.3 MPa，其中防焦箱內部運行溫度約290℃。2010年1月，停爐內部檢驗時發現爐膛東側左右兩個防焦箱(尺寸:?219 mm×10 mm，材質:20G)靠近封頭處的位置都有較大面積鼓包，其中防焦箱Ⅰ(見圖1)鼓包長度約190 mm，高度約60 mm，在鼓包的中間位置有裂紋，裂紋區域位于爐膛的輻射高溫區，裂紋長度約50 mm，裂紋寬度約2 mm，鼓包距右側集箱封頭約10 mm;防焦箱Ⅱ(見圖1)鼓包長度約185 mm，高度約60 mm，鼓包距左側集箱封頭約10 mm。對防焦箱Ⅰ，Ⅱ進行切割觀察，發現內部都有大量垢渣積聚在內壁上，而集箱外部高溫防腐漆破損脫落，其中防焦箱Ⅰ高溫防腐漆破損脫落更為嚴重。因防焦箱Ⅰ和Ⅱ對稱，都有相同鼓包狀況，因此文中僅針對防焦箱Ⅰ進行分析。

圖1 防焦箱及鼓包位置示意

1.2 取樣方法

采用線切割方式，對防焦箱Ⅰ鼓包區域取金相試樣(見圖2)，圖2中A為鼓包上沿部位，B為鼓包中間部位，C為鼓包下沿部位，D為鼓包外沿部位，E為距鼓包處250 mm的未鼓包部位。對未鼓包處取1塊光譜分析試樣和縱向方向取3根拉伸試樣。

圖2 防焦箱Ⅰ金相取樣位置

1.3 化學成分分析

對所取的光譜分析試樣使用ARL4460型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表1。由表1可知，防焦箱未鼓包處材質的各元素含量均符合GB 5310—1995對20G鋼的技術要求。

1.4 硬度測試

對防焦箱Ⅰ鼓包區域所取的金相試樣進行顯微硬度和布氏硬度測試，顯微硬度試驗載荷1.96 N，保持時間10 s;布氏硬度試驗載荷7350 N，加載時間5 s，結果見表2。顯微硬度HV0.2值與布氏硬度值有一定的差異，差異的原因在于顯微硬度HV0.2測試的菱形區域大部分在鐵素體和珠光體組織界面上，數據是兩者綜合的體現，而布氏硬度HBW值測試是在試樣宏觀表面上。20G鋼組織以約80%面積的鐵素體和約20%面積的珠光體構成，這樣顯微硬度和布氏硬度數據就存在一定的差異，且具有規律性。

表1 防焦箱Ⅰ的化學成分分析結果 %

表2 防焦箱Ⅰ鼓包區域HV0.2、脫碳層、晶粒度、球化等級數據

1.5 厚度測試

對防焦箱Ⅰ鼓包處位置進行厚度測定，結果見表3。防焦箱的公稱厚度10 mm，測得鼓包上沿部位的最小厚度為4.9 mm，鼓包處壁厚最大減薄量達到5.1 mm;對位置E進行測厚，最小厚度10.2 mm，考慮正偏差，位置E并未實質性減薄。

表3 防焦箱Ⅰ鼓包區域A和E位置厚度

1.6 力學性能

對防焦箱Ⅰ縱向試樣進行拉伸試驗，得到抗拉強度的平均值450 MPa，屈服強度的平均值270 MPa，符合GB 5310—1995對20G鋼的技術要求。

1.7 金相檢驗

對防焦箱Ⅰ鼓包區域取樣進行金相檢驗，取樣位置和方式按1.2節要求。脫碳層深度測量按照GB/T 224—2008執行，晶粒度按照 GB/T 6394—2002評級，球化等級按照DL/T 674—1999評級，結果見表2。從表2可知，這5處位置的脫碳層深度、球化等級、晶粒度并不相同，鼓包上沿部位的脫碳層深度與鼓包中間部位的脫碳層深度相差不大，球化等級均為3級，晶粒度均為9級;而鼓包下沿部位完全脫碳，晶粒度為9級，球化等級為5級，屬于完全球化;鼓包外沿部位和距鼓包處250 mm部位均未脫碳，但晶粒度和球化等級不一樣，晶粒度分別為9和9.5級，球化等級分別為2級和1級。

從圖3的脫碳層照片可看出，距鼓包250 mm的部位和鼓包外沿部位均未脫碳，其所在部位集箱表面的高溫防腐漆未見受損;鼓包上沿部位和鼓包中間部位均有脫碳，鼓包中間部位比鼓包上沿部位脫碳稍微嚴重，其所在部位集箱表面的高溫防腐漆破損嚴重;鼓包下沿部位完全脫碳，其所在部位集箱表面的高溫防腐漆破損較為嚴重。

從圖3掃描電鏡照片可看出，距鼓包250 mm的部位(E3)珠光體組織形態較為完整，呈片狀，白色窄條的為滲碳體，黑色較寬的為鐵素體。圖中(E3)未見珠光體球化特征;鼓包外沿部位珠光體組織形態明顯，但易見少許碳化物分散。圖中(D3)有傾向性球化特征;鼓包上沿部位和鼓包中間部位珠光體形態較明顯，但珠光體區域中的碳化物已經明顯分散開，并逐步向晶界擴散，白色球片狀的為碳化物，黑色的為鐵素體基體。圖中(A3和B3)呈輕度球化特征;鼓包下沿部位珠光體組織形態已經完全消失，晶界及鐵素體基體上的球狀碳化物已逐漸長大，白色球狀的為碳化物，黑色的為鐵素體基體。圖中(C3)已經呈完全球化特征。

圖3 防焦箱Ⅰ鼓包區域試樣光鏡和掃描電鏡照片

2 數值建模

Matlab軟件是由美國Mathworks公司開發的一套專門以矩陣的形式處理數據的數值計算軟件。它將高性能的數值運算和可視化集成在一起并提供了大量的內置函數(同類工程應用的內置函數則集合成工具箱)，可以解決數學和工程領域的大量問題［5－11］。

利用Matlab對鼓包的球化等級和硬度關系進行數值建模回歸分析，分析結果見圖4。可以看出，隨著球化等級的升高，材料的硬度是逐漸降低的。圖4是根據表2數據通過數學回歸獲得的20G鋼的布氏硬度和顯微維氏硬度隨球化等級變化的經驗模型，其中x表示球化等級，y分別表示布氏硬度和顯微維氏硬度。

圖4 不同球化等級下20G鋼的硬度值

布氏硬度:

顯微硬度:

R－square是一個在0～1之間的數，其定義為:

R－square的值越接近1時表明擬合效果越好［12－14］。

3 討論與分析

3.1 高溫防腐漆的作用機理

防焦箱表面噴涂了較厚的高溫防腐漆，有了這層高溫防腐漆的存在，隔絕了防焦箱材料在高溫下與氧的反應，使集箱表面脫碳較為困難。從集箱表面高溫防腐漆的損壞程度和鼓包區域的脫碳層金相照片分析可知，遠離鼓包區域和鼓包外沿部位的高溫防腐漆幾乎沒有損壞，其金相照片也證實沒有脫碳;鼓包上沿和鼓包中間部位的高溫防腐漆破損較嚴重，其金相照片證實脫碳層程度較深;而鼓包下沿高溫防腐漆破損程度與鼓包上沿和鼓包中間部位相差不大，但其金相照片表明完全脫碳。由此分析，高溫防腐漆對脫碳的進程有較大的影響，高溫防腐漆的存在，可以明顯的阻止脫碳的進一步發展。

集箱面上噴涂的高溫防腐漆一般分為兩層:底漆和面漆，有了這兩層高溫防腐漆的存在，可以很好地阻隔氧與集箱表面的金屬發生氧腐蝕，這樣可以有效地阻止碳析出，保證集箱強度。但是，一旦高溫防腐漆發生絲毫破損，氧就會在高溫下與破損處裸露的金屬發生氧腐蝕，加速碳的析出，導致集箱強度降低，逐漸使集箱破損處的強度小于集箱內壁壓強，引起鼓包，而鼓包的形成，也在加速集箱表面高溫防腐漆的破損程度，兩者互相作用，最終導致鼓包處裂紋的產生。但是此種情況導致鼓包的可能性較小，且引起鼓包的時間也較長，缺少加速鼓包失效的“催化劑”。

文中的防焦箱最后鼓包失效存在要素是集箱鼓包處內壁存在大量的結垢，該結垢就是導致集箱鼓包失效的“催化劑”。有這個“催化劑”的存在，將導致集箱金屬壁溫超溫，該溫度在集箱金屬材料的Ac1點附近，甚至更高，這樣使該溫度下該金屬的許用應力大幅度下降，鼓包更易形成，而鼓包的形成，更加劇高溫防腐漆的破損和脫落，而高溫防腐漆的大面積破損又使氧腐蝕加劇，導致脫碳嚴重，致使金屬材料強度降低明顯，鼓包也繼續擴大。

3.2 鼓包形成機理

由上述分析可知，鼓包的形成是由于內壁壓強大于材料強度而導致向外凸起。從1.7節金相檢驗中可以具體分析鼓包形成的原因。鼓包開始形成前，珠光體組織未球化，當集箱內壁結垢嚴重，致使金屬壁溫超溫，甚至超過20G材料的Ac1點，加速了珠光體球化的進程，隨著時間的推移，珠光體球化的程度也在加深。

從圖3的C2可知，珠光體球化最終達到5級，5級球化的20G在Ac1點附近的屈服強度只有常溫下1級球化屈服強度的43%，屈服失效的可能性大增。從宏觀檢查可知，該防焦箱鼓包處最后有裂紋產生，而該裂紋的產生就是屈服失效的結果。而圖2中位置C上部的位置A和B的球化等級為3級，位置C下部的位置D球化等級為2級，表明鼓包附近材料的珠光體組織都有很明顯的球化特征，從傾向性球化、中度球化到嚴重球化，這也證明了鼓包區域強度失效，該區域材料長時間過熱。

3.3 防焦箱鼓包壽命評估新方法

由以上分析可知，硬度和珠光體球化等級之間有相應的關系，硬度是材料強度的表征，是材料力學性能的宏觀體現，而球化程度是材料劣化的微觀表征，球化程度越深，材料劣化得越嚴重，材料剩余壽命就會更少。

電站鍋爐檢驗中如何快速方便有效地對防焦箱的剩余壽命進行預測是個難點，因此可以利用上述分析建立的硬度和珠光體球化之間的關系找出一種新的壽命評估方法。該新型壽命評估方法就是利用現場里氏硬度測試獲得布氏硬度數據，再根據圖3的布氏硬度與球化等級之間關系圖來查出該布氏硬度下的珠光體球化等級，并利用筆者依據GB/T 2039所做的持久斷裂試驗得到的數據，根據Larson－Miller參數關系推導出的20G珠光體組織的球化與溫度和時間之間的關系公式來計算爐管的剩余壽命。

公式如下:

式中 Q——球化級別

T——部件金屬溫度，K

t——使用時間，h

利用筆者試驗數據推導的公式(1)來驗證防焦箱運行溫度、球化等級和使用時間之間的關系。如計算該防焦箱在最大飽和蒸汽壓溫度573 K下，從2001年6月到2010年1月使用70000 h(除去檢修停爐時間)的球化級別Q為0.72級，符合表2中位置E的結果;按照式(1)，可以預測該防焦箱在最大飽和蒸汽壓溫度573 K下，要達到珠光體球化5級，使用時間將以億萬小時計，表明防焦箱在該溫度下不可能出現珠光體球化。利用式(1)可以計算防焦箱鼓包區域的超溫情況，得到位置A和B處金屬溫度690 K，位置C處金屬溫度792 K。按照《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》的要求，20G材料的使用溫度一般不能超過723 K，位置C處在高于使用溫度要求的情況下，珠光體球化程度5級，已經導致實質性的強度下降，出現裂紋擴展。

通過測試布氏硬度的方法，并利用Matlab建立的球化與硬度之間關系公式來計算球化級別，再利用公式(1)判斷防焦箱的使用時間和使用溫度，以此得知防焦箱使用過程中是否超溫，同時根據使用時間和球化級別預測防焦箱的剩余壽命。

上述方法可以推廣到整個電站鍋爐受壓元件剩余壽命的預估，即利用操作簡便、測試可靠的里氏硬度代替現場金相的方法，找出相應材料的硬度值與球化級別之間的關系，再利用珠光體組織的球化與溫度和時間之間的關系公式判斷受壓元件的使用時間和使用溫度，根據使用時間和球化級別預判受壓元件的剩余壽命。電站鍋爐受壓元件的其他材料如15CrMoG，12Cr1MoVG，T91等都可以建立相應的硬度與球化級別之間的關系。

4 結論

(1)防焦箱鼓包的原因是箱內結垢，導致集箱壁溫過熱，加速了珠光體球化過程，集箱外壁高溫防腐漆破損加劇氧腐蝕，二者相互作用，致使集箱材料強度逐漸降低，鼓包逐漸形成并擴大，直至裂紋出現。

(2)采用Matlab數值回歸分析，建立硬度與球化等級之間的關系式:

基于該公式，在對電站鍋爐20G材料的受壓元件檢驗時，可以使用測試里氏硬度的方法代替現場金相。

(3)建立20G珠光體組織的球化與溫度和時間之間的關系公式:

Q=0.0010826T(13.2+lgt)－10.4764

利用此公式評估電站鍋爐受壓元件的使用壽命。

［1］羅曉明，游菊.鍋爐鍋筒鼓包原因分析及預防［J］.理化檢驗 －物理分冊，2001，37(12):531－538.

［2］高正良，潘金平.一臺DZL1－1.0－AⅡ鍋爐鍋筒鼓包原因分析及預防［J］.特種設備安全技術，2009，(4):9 －10.

［3］周國勝.從一起鍋殼式鍋爐鍋筒底部鼓包看嚴格執行工業鍋爐水質標準的重要性［J］.工業鍋爐，2005，(5):51 －54.

［4］徐鵬，艾志斌.20鋼珠光體球化對材質損傷程度的試驗研究［J］.壓力容器，2003，20(12):12－14.

［5］Huang D，Sun B H.Approximate Solution on Smart Composite Beams by Using MATLAB［J］.Composite Structures，2001，54(2 －3):197 －205.

［6］Gupta R，Bera J N，Mitra M.Development of an Embedded System and MATLAB－based GUI for Online Acquisition and Analysis of ECG Signal［J］.Measurement，2010，43(9):1119 －1126.

［7］Swanson T E，Cardenas M B.Ex－Stream:A MATLAB Program for Calculating Fluid Flux through Sediment－water Interfaces Based on Steady and Transient Temperature Profiles［J］.Computers ＆ Geosciences，2011，In Press，Corrected Proof.

［8］Kumar D，Kumar V，Singh V P.Mathematical Modeling of Brown Stock Washing Problems and Their Numerical Solution Using MATLAB［J］.Computers ＆Chemical Engineering，2010，34(1):9 －16.

［9］Charsooghi M A，Akhlaghi E A，Tavaddod S，et al.A MATLAB Program to Calculate Translational and Rotational Diffusion Coefficients of a Single Particle［J］.Computer Physics Communications，2011，182(2):400－408.

［10］Bahmer A，Baumann U.Recording and Online Analysis of Auditory Steady State Responses(ASSR)in Matlab［J］.Journal of Neuroscience Methods，2010，187(1):105－113.

［11］Bahmer A，Peter O，Baumann U.Recording of Electrically Evoked Auditory Brainstem Responses(EABR)with an Integrated Stimulus Generator in Matlab［J］.Journal of Neuroscience Methods，2008，173(2):306－314.

［12］劉慧潁.MATLAB R2007基礎教程［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［13］http://www.mathworks.com/products/curvefitting/［OL］.

［14］http://www.mathworks.com/help/toolbox/curvefit/bp_5ka6 －1_1.htm1［OL］.