鍋爐受熱面管的材料失效與老化分析

由慶健

（華能煙臺發電廠，山東 煙臺 264000）

過熱器管、再熱器管、水冷壁管、省煤器管（簡稱爐內四管）等部件是鍋爐內部的主要結構件，長期在惡劣的環境介質中運行，會發生一系列材料組織與性能的變化，涉及蠕變、疲勞、腐蝕、沖蝕等復雜的老化與失效機理。大多數高溫鍋爐管的失效是由于強度降低到一定水平后,不能滿足設計的強度需求而開裂或泄漏。爐內四管爆漏問題長期以來一直是火電廠機組強迫停機的主要原因，因此，在了解材料老化規律的基礎上，確認失效運營和機理，才可能較準確地對爐管壽命做出預測，并做出相應的預防措施。

1 高溫鍋爐管使用和失效特點

高溫鍋爐失效的類型很多，失效機理也非常復雜，普遍存在蠕變、疲勞、腐蝕、沖蝕等機理的交互作用現象。近幾年的研究認為，金屬材料中的碳化物相，是構成金屬材料較高強度的基礎，碳化物相的一系列變化過程代表了材料老化過程。碳化物相的變化主要有三個方面組織形態改變、相成分改變、鋼中的多種碳化物在使用過程中將發生結構改變。隨著金屬分析測試技術的發展，上述老化特征均能夠定量地給出測試結果，可以定量地掌握材料的老化程度，當運行時間已知時，則可推導出材料老化的平均速度，由此可直接估算材料的壽命。

2 碳化物的球化

從熱力學角度出發，鋼中珠光體組織的碳化物為片層狀，這種組織形式屬于亞穩定結構狀態，有轉變為穩定化結構的趨勢，高溫下轉變很明顯。因此，球化過程可以描述成擴散控制的熱力學反應過程。

影響擴散的主要因素是溫度。對一般擴散控制的變化過程，其過程變化速度V都具有Arrhenius方程形式：V=aexp（-一般，過程變化的速度越快，過程所經歷的時間越短，過程速度v與過程時間t成反比，有：vt=C②，C為常數，球化速度越快，則達到某種程度球化的時間越短，因此①可改寫為③。式中，A、b為球化系數，當成分一定時，其激化能Q(或b)是常數，A值大小也僅與球化程度有關，為常數。這樣，達到某種程度球化所需的時間t僅與溫度有關，由于球化程度不同，A值也不同，則對不同球化程度X，有普遍方程式④，球化程度可用球化級別近似表示，即對 12Cr1MoV鋼，X=1,2，……，5（ 分 5級）。 溫度稍升高一點，達到某種程度球化所需要的時間會呈指數形式急劇減少，可見超溫對球化的影響極大，從實際情況分析，若在短時間內球化發展到嚴重變化程度，一般認為是存在明顯超溫所致，這一規律表明上述理論模型是符合實際的。若對式④求對數則⑤該式表明，球化到某種程度的對數時間lntX與溫度的倒數1/TX呈線性關系。在不同溫度下測定達到某種程度球化的不同時間值，可以統計出該材料某種狀態下的b值和A值。將式⑤改寫為⑥則可看出若該材料的b值和AX值已知，由球化時間tX求出此時的球化溫度TX，這一溫度代表了金屬實際使用溫度，由此可預測鍋爐管的老化程度和使用壽命。

3 碳化物相的成分變化

電廠常用的Cr-Mo、Cr-Mo-V鋼在長期使用中，其合金元素將發生再分配現象，通常又稱為固溶體中合金元素的貧化現象。其特點是：因溶體中合金元素的含量逐漸減少，碳化物中的合金元素的含量逐漸增加，于是固溶體中合金元素逐漸貧化，鋼的蠕變和持久強度降低。隨運行時間的增長，合金元素從固溶體中遷移到碳化物中去，鉬元素的貧化（即減少）最為厲害，釩元素的變化則較緩慢。12Cr1MoV鋼在510℃時，鉬元素從固溶體中析出，鉻元素幾乎不變。隨溫度升高，鉻和鉬析出的量逐漸增加，當溫度升高到565℃時，鉻和鉬元素含量顯著增多。這表明存在碳化物相成分明顯改變的臨界溫度限，超過這一溫度，碳化物中的合金元素不增反降，這是碳化物相成分變化的一個特殊現象。這一現象可用于分析鍋爐管超溫狀況，與原始或正常運行的管段樣品相比，超溫管段的碳化物相成分如果不增加甚至下降，則可認為其超溫程度已相當嚴重。

4 碳化物相結構的變化

高溫環境下長期使用，碳化物相的結構形式也發生一系列變化，由簡單的M3C等碳化物轉變為復雜結構的M23C、M6C等碳化物相，相結構的變化現象是描述材料老化的另一重要特征。以某電廠12Cr1MoV鋼過熱器管碳化物相結構變化的實例，來研究碳化物相結構的變化規律。

原始未運行樣品的碳化物相主要由M3C碳化物組成，即主要組成相為M3C+MC+M2C，M3C相晶體比較完整，其余各項的含量很少，M23C相含量﹤10%，M6C相含量為0，表明材料的原始狀態為未出現老化的碳化物相組成結構。

樣品顯微組織為三級球化時，碳化物相的主相變為M3C+MC+M23C6，M3C相含量減少明顯，晶體出現不完整性，MC相含量增多，表明晶內有大量新生MC相析出，伴有明顯的粒子長大行為。

樣品顯微組織為四級球化時，碳化物相的主相進一步變為M3C+MC6，MC相大量增多而取代M3C相成為第一主相，M3C相的量則減少到低于30%，表明已發生明顯的材料老化，此時的顯微結構仍屬彌散強化機理控制的較正常狀態。MC相的晶粒繼續長大，晶內碳化物析出和粗化現象進一步強化。

樣品顯微組織為五級球化時，其主相構成變為MC+M3C+M23C6，與四級球化樣相比，MC相和M3C相的含量都有減少，而晶界析出的M23C6相含量則明顯增多達20%左右，表明MC相在進一步粗化，而晶界脆性明顯增加，表明材料老化已十分明顯。

爆管樣品的顯微組織球化達五級以上，碳化物相的主相為MC+M23C6+M7C3,M23C6相含量進一步增多接近30%，M3C相則由57%減少為11%，成為次要相，MC相晶粒長大現象十分突出，M7C3相大量出現，出現較多M6C相，由此表明，材料的損傷程度已經非常嚴重。

5 結語

由于高溫鍋爐管的使用環境是復雜而多變的，老化與失效的基本原因分析，可以發現其組織和性能的變化規律，掌握其老化機理，為鍋爐管的壽命管理和維修決策做出科學依據。