循環流化床鍋爐高溫受熱面管失效現狀研究

李衛東 李 婧 趙向南 陳志剛

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016）

1 引言

近十幾年來，循環流化床鍋爐以其床料蓄熱量大、燃燒穩定、操控方便以及效率高污染低等優點，在中壓到亞臨界特別是在35t/h～1000t/h 級電站鍋爐這一區域占據了主導地位[1-2]。 循環流化床鍋爐受熱面管材料的使用環境十分惡劣，在運行中非常容易產生失效損壞，造成受熱面管泄漏。 針對受熱面管失效問題，國內外技術研究人員做了大量的工作，并且取得了一定的成果，但是鍋爐受熱面管的爆漏事故仍時有發生。 鍋爐受熱面管的失效形式多種多樣， 多數情況下不是單一而是由多種因素共同作用造成的，因此，本文結合多年來的檢驗經驗，總結了循環流化床鍋爐受熱面管多種失效形式， 為以后循環流化床鍋爐受熱面管進行監督檢驗工作提供參考。

2 鍋爐高溫受熱面管失效形式及原因

鍋爐的高溫受熱面管在極其復雜、 惡劣的環境下長期工作， 因此鍋爐受熱面管的損壞一方面是由于各種介質對管壁的磨損、腐蝕，使得受熱面管壁減薄超過其設計最小壁厚，造成爆漏。 另一方面，運行時爐膛溫度時常變化使的管壁材料組織變化， 造成受熱面管材料性能下降而發生爆裂事故。

2.1 高溫蠕變失效

長期高溫運行時，在過熱蒸汽內壓力下，鍋爐受熱面管材料主要承受切向應力，在這種應力的作用下，受熱面管徑發生變形、脹粗。 研究表明：鍋爐在設計壓力、額定溫度下正常工作時，過熱器的管子發生徑向蠕變，其蠕變速度大約相當于10-7mm/h 數量級[2]。 然而在實際運行過程中，鍋爐受熱面管在惡劣的環境下長時間運行時，導致管壁材質的強度下降，加快徑向蠕變速度，使其使用壽命達不到設計要求而產生損壞失效。 研究表明：碳鋼在300℃以上，低合金鋼在400℃以上就有發生蠕變的可能，蠕變速度隨溫度的提高而增大。 長期過熱環境下，受熱面管壁一直在材料的最高允許工作溫度以上、AC1 線以下溫度工作，使得鋼材性能降低，發生碳化物球化、石墨化等材質裂化現象，最終導致受熱面管爆裂。 據研究表明，過熱器管子爆破事故多數是由于高溫蠕變而引起的[3]。 高溫蠕變失效的爆破口處呈粗糙性斷口，管壁減薄不多。

2.2 短時過熱失效

短時過熱失效一般發生在高溫受熱面管熱負荷最高的地方，如水冷壁管向火側。 循環流化床鍋爐在實際運行過程中， 爐膛溫度在短時間內有可能突然上升甚至可以超過管壁材料的上臨界點Ac3，水冷壁或過熱器管子在這樣的短時高溫下，其抗拉強度將會急劇下降，與此同時，在管內介質壓力的作用下， 管壁溫度最高的向火側首先產生塑性變形，管子變形鼓包，管壁脹粗、減薄，然后發生剪切斷裂而爆漏，其爆破口附近管壁減薄很多， 且爆破口呈喇叭形， 其爆口邊緣十分鋒利，如圖1 所示。 由于受熱面管壁先承受短時高溫，然后又被介質迅速的冷卻下來，這就相當于對材料進行不同程度的淬火處理，故通過對爆口處金相分析，其金相組織為馬氏體、貝氏體之類的淬硬組織，且其布氏硬度與原材料相比有所提高。

圖1 HG-410/9.8-L.PM19 型鍋爐末級過熱器受熱面管爆管宏觀形貌

2.3 高溫腐蝕失效

河南某電廠2# 機組， 鍋爐型號為YG-240/9.8-M5，于2012年7月投產，在首次內部檢驗過程中發現水冷壁管外層為灰白色，下層為暗紅色或者黑色，屬于Fe2O3或Fe3O4產物，如圖2 所示，分析認為這是H2S 氣體造成的高溫腐蝕。

圖2 YG-240/9.8-M5 型鍋爐水冷壁高溫腐蝕形貌

大型亞臨界電站鍋爐在正常工作時， 其燃燒器區域附近的水冷壁管內汽水溫度大約在350℃左右，煙氣側水冷壁管溫度大約在420℃左右，而H2S 等腐蝕性介質的腐蝕性在300℃以上逐步增強，即溫度每升高50℃，腐蝕程度將增加一倍[4-5]，因此鍋爐水冷壁管符合強烈高溫腐蝕的溫度范圍之內。 并且在實際運行時鍋爐爐膛燃燒工況較差， 可能會出現缺氧燃燒， 當在高壓加熱器停止運行時，使得給水溫度下降，為了保證鍋爐的出力，勢必要增加燃料損耗，加劇缺氧燃燒程度，燃燒產生的還原性氣體與管壁材料發生化學、電化學作用，使得高溫受熱面管子減薄尤其是焊口處產生凹陷， 當受熱面管壁減薄超過其設計最小壁厚不能承受管內介質壓力時，即引起爆管泄漏。

碳鋼在大于570℃的高溫下會發生高溫氧化， 氧化使得材質脫碳劣化，同時由于氧化層降低了受熱面管的導熱系數， 從而降低了管壁的導熱性能，導致水冷壁管的平均運行溫度明顯提高，致使水冷壁管長期在超過設計溫度的狀態下運行， 最終導致受熱面管的失效。

2.4 疲勞失效

循環流化床鍋爐的受熱面管不僅承受交變應力的作用，并且受熱面管在腐蝕介質的長期作用下，與水接觸的金屬表面上的保護膜會被這種交變應力所破壞， 特別容易在腐蝕坑及機械損傷的地方發生電化學不均一性，產生局部腐蝕現象，并且在這種交變應力的作用下，在金屬材料的晶界薄弱區，導致不均勻滑移，從而產生裂紋，隨著腐蝕裂紋不斷的累積與發展，最終導致管子失效損壞。

同時，在鍋爐運行過程中，工作溫度時常發生變化，金屬材料的膨脹和收縮相互約束， 產生附加溫度應力，即熱應力[6]。 隨著溫度的變化，熱應力也將不斷變化，使得材料晶格間產生空位及缺陷的幾率增大，降低合金原子間的結合力，在晶間產生裂紋，金屬材料經過多次周期性熱應力的作用而使得裂紋逐漸累積引起損傷，最終導致破裂。

圖3 HG-410/9.8-L.PM19 型鍋爐冷灰斗處磨損宏觀形貌

2.5 磨損失效

圖3 為HG-410/9.8-L.PM19 型鍋爐冷灰斗處磨損宏觀形貌。 磨損失效的原因分為飛灰磨損和機械磨損，其中最主要的是飛灰磨損[7-8]。 吊掛在鍋爐爐膛和尾部煙道內的受熱面管子，內部為高溫高壓的汽水混合物，其承受了很大的應力，當煙氣通過受熱面時，灰粒以一定的速度沖擊受熱面管（特別是煙氣走廊的部位和煙氣轉彎處），使得管壁被沖刷而減薄，甚至減薄到設計最小壁厚以下，造成爆管事故。 鍋爐過熱器以及再熱器定位管（卡）松動或不到位， 使之相互接觸， 在鍋爐運行過程中產生機械磨擦，可以導致金屬表面機械磨損而爆破泄漏。

3 結語

近十年來河南省內投產使用了一些循環流化床電站鍋爐， 其鍋爐受熱面長期在高溫、 高壓等交變負荷下運行，易產生損壞失效。 本文針對這些電廠鍋爐受熱面失效現狀，總結其失效形式及機理，為未來循環流化床電站鍋爐的安全運行、監督檢驗工作提供參考。

［1］徐蒞，王復信.淺析循環流化床鍋爐常見運行缺陷及正確安裝［J］.新疆科技報，2010，3:1-2.

［2］馬崇.鍋爐受熱面管失效分析研究［D］.天津：天津大學，2005.

［3］申軍輝，郭正民.鍋爐受熱面管失效分析［J］.產業與科技論壇，2012，14（11）:65-66.

［4］高勁松. 鍋爐受熱面管的失效機理及預防措施研究［D］.江西：南昌大學，2007.

［5］趙永寧，劉爽，魏玉忠.超（超）臨界鍋爐管用材料的缺陷和失效分析［J］.熱力發電，2010，39（4）:37-41.

［6］吳倩，曹振濤.鍋爐受熱面的材質失效分析［J］.廣西輕工業，2011，146:49.

［7］曹振濤，吳倩，文斌.鍋爐受熱面的失效分析及整改［J］.廣西輕工業，2010，136（3）:42.

［8］張孝禮.大型火電廠鍋爐“四管”爆漏原因分析及防治對策［J］.寧夏電力，2009，1:47-51.