一臺(tái)75t/h鍋爐高溫部件金屬組織普遍劣化的原因分析

陳 浩 錢宏利 強(qiáng)君剛

（呼倫貝爾市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

一臺(tái)75t/h鍋爐高溫部件金屬組織普遍劣化的原因分析

陳 浩 錢宏利 強(qiáng)君剛

（呼倫貝爾市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

某發(fā)電廠3#鍋爐運(yùn)行時(shí)間不到8萬h，高溫部件金屬組織即發(fā)生了普遍劣化。本文通過理論分析，并進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，對(duì)出現(xiàn)這一情況的原因進(jìn)行分析研究，提出解決思路。

鍋爐高溫部件；材質(zhì)劣化；低負(fù)荷運(yùn)行；過熱器超溫

某發(fā)電廠3#鍋爐為中溫、中壓、單汽包自然循環(huán)煤粉鍋爐，型號(hào)為*G-75/3.82-HM15，Π型布置，爐膛四周布置膜式水冷壁，在爐膛出口處布置凝渣管，水平煙道布置兩級(jí)過熱器，尾部豎井從上到下交叉布置兩級(jí)省煤器和兩級(jí)空氣預(yù)熱器。鍋爐采用單段蒸發(fā)，過熱器溫度采用噴水調(diào)節(jié)，燃燒器為帶夾心十字風(fēng)直流燃燒器，正四角布置，1#、3#角切圓，2#、4#角對(duì)沖。設(shè)計(jì)煤種為寶日希勒煤礦褐煤，原煤低位發(fā)熱量為2978kcal/kg，原煤水分為34.71%。

2.15年8月份我所對(duì)該爐進(jìn)行了內(nèi)外部檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鍋爐高溫部件金屬組織發(fā)生了普遍劣化。

一、材質(zhì)劣化的范圍及判定

檢驗(yàn)中初步對(duì)集汽集箱及高過出口集箱進(jìn)行了金相檢測，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)集箱的金屬組織珠光體皆嚴(yán)重球化，現(xiàn)場金相照片見圖1。

圖1

照片顯示，金相組織中的珠光體區(qū)域形態(tài)已完全消失，碳化物球狀分布在鐵素體晶界。組織特征按《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》為珠光體球化5級(jí)。

經(jīng)對(duì)3#爐集汽集箱、高過出口集箱金相復(fù)查及進(jìn)一步擴(kuò)大范圍檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鍋爐高溫部件金屬組織發(fā)生了普遍劣化。金相檢驗(yàn)情況見下表1。

表1

經(jīng)了解，3#鍋爐的運(yùn)行時(shí)間不到8萬小時(shí)，高溫過熱器出口集箱等高溫部件的材質(zhì)為12Cr1MoV，同時(shí)檢驗(yàn)的1#、2#鍋爐（運(yùn)行參數(shù)相同，不同廠家制造）運(yùn)行時(shí)間比3#鍋爐長得多，高溫部件材質(zhì)為碳鋼20G，球化程度卻低于3#鍋爐的水平。為什么會(huì)有這樣的情況出現(xiàn)呢？

二、珠光體球化原理

鍋爐用碳素鋼和低合金鋼，在常溫下的組織一般為鐵素體+珠光體。珠光體晶粒中的鐵素體和滲碳體是呈薄片狀相互間雜的。片狀珠光體是不穩(wěn)定的組織，其中的片狀滲碳體有自行轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畈⒕奂汕驁F(tuán)的趨勢，當(dāng)珠光體鋼在高溫下長期使用時(shí)，由于溫度較高時(shí)原子的活動(dòng)能力強(qiáng)，擴(kuò)散速度增加，珠光體中的片狀滲碳體會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙顫B碳體，并緩慢聚集長大成球團(tuán)，這種現(xiàn)象稱為珠光體球化。珠光體球化的結(jié)果使材料的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度顯著降低，包括材料的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌度、蠕變極限和持久極限各指標(biāo)全面下降，塑性、韌性變差，材質(zhì)老化，嚴(yán)重影響材料的繼續(xù)安全服役。

影響球化的因素主要有兩個(gè)方面：高溫和在高溫下停留的時(shí)間，加大其中任一個(gè)因素，都將加快其球化的程度。

三、鍋爐運(yùn)行相關(guān)情況

1.鍋爐制粉系統(tǒng)出力不夠。

3.#鍋爐于2001年安裝，并于同年11月份建成投產(chǎn)。按設(shè)計(jì)，該爐的正壓直吹式制粉系統(tǒng)采用高溫爐煙（980℃）摻熱風(fēng)（460℃）干燥，高溫爐煙從水冷壁兩側(cè)抽出，熱風(fēng)來自空氣預(yù)熱器高溫段出口，配套安裝3臺(tái)S14.75風(fēng)扇磨煤機(jī)，兩臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。投產(chǎn)后，燃用設(shè)計(jì)煤種，投用兩套制粉系統(tǒng)時(shí)，不能滿足鍋爐額定工況運(yùn)行所需，鍋爐燃燒不穩(wěn)定，鍋爐出力在55t/h以下。采用三套制粉系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，鍋爐最大出力也僅為70t/h，不但增加了廠用電，同時(shí)因?yàn)闆]有備用制粉系統(tǒng)，給鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了很大的影響。

2.燃燒穩(wěn)定性問題。

因高溫爐煙管道流通截面積不夠，導(dǎo)致運(yùn)行風(fēng)扇磨通過備用風(fēng)扇磨經(jīng)一次風(fēng)管道從爐膛倒抽高溫?zé)煔猓茐牧藸t內(nèi)的空氣動(dòng)力場，即破壞了爐膛內(nèi)的燃燒工況。鍋爐采用帶夾心十字風(fēng)的直流燃燒器，十字風(fēng)管道由于高溫?zé)煔獾钩槎鵁龘p，同時(shí)損壞的十字風(fēng)管道增加了一次風(fēng)阻力，擾亂了煤粉氣流，使燃燒器出口著火不穩(wěn)定，這種情況在鍋爐低負(fù)荷情況下更為明顯。

3.高溫部件超溫情況。

據(jù)可查的運(yùn)行記錄顯示，3#爐的出口蒸汽多次超溫，僅2015年5月就有11次。

4.減溫水用量較大。

與1#爐、2#爐相比，3#爐的減溫水用量明顯較大，經(jīng)查1#爐、2#爐的減溫水用量為4-6t/h，而3#爐的減溫水用量在6～8t/h。

四、低負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致過熱器超溫的理論分析

依據(jù)《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》，1973年版，前蘇聯(lián)熱工研究所和前蘇聯(lián)中央汽輪機(jī)研究所（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)方法》）。目前，我國小型發(fā)電鍋爐設(shè)計(jì)中的熱力計(jì)算大多沿用該方法。

爐內(nèi)介質(zhì)和受熱面的輻射換熱方程式為：

式中：Qл——爐內(nèi)傳熱量，kcal/kg。

σ0——絕對(duì)黑體的輻射常數(shù)，4.9×10-8，

kcal/（m2.K4）；

aк——爐膛的折算黑度；

Hл——爐子的輻射受熱面積，m2；

B0——計(jì)算燃料消耗量，kg/h；

x——考慮介質(zhì)選擇性輻射換熱的影響的系數(shù)；

TФ——爐內(nèi)介質(zhì)的絕對(duì)有效溫度，K；

Tэ——污染表層的絕對(duì)溫度，K。

為便于分析，不采用單位燃料公式，則式（1）變換為：

該鍋爐運(yùn)行期間的實(shí)際出力為額定負(fù)荷的69%～80%，實(shí)際負(fù)荷時(shí)，鍋爐結(jié)構(gòu)未變，aк、Hл和x基本不變，由于汽輪機(jī)對(duì)工作壓力的要求，鍋爐工作壓力基本不變，Tэ未變。

設(shè)實(shí)際負(fù)荷為X%，則兩工況的傳熱比值為：

根據(jù)以上計(jì)算，在保證鍋爐出口壓力的前提下，鍋爐負(fù)荷與工況變化如下表2（BR L表示鍋爐額定工況）：

表2

由表2可以看出，鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，煙溫下降幅度與過熱器內(nèi)工質(zhì)流量下降幅度不成正比，也就是說，鍋爐的長期低負(fù)荷運(yùn)行會(huì)造成過熱器長期在高溫下運(yùn)行。

五、球化原因綜合分析

由于制粉系統(tǒng)出力不足及燃燒器損壞等原因，使?fàn)t膛燃燒不穩(wěn)定，產(chǎn)生的熱量不足，為保障鍋爐出口蒸汽壓力，運(yùn)行中沖刷過熱器的煙氣溫度降幅明顯小于過熱器內(nèi)蒸汽流量的降幅，也就是說，鍋爐長期的低負(fù)荷運(yùn)行會(huì)造成其高溫部件的長期超溫，加大了球化的速率，從而在較短的時(shí)間里出現(xiàn)普遍材料的劣化現(xiàn)象。減溫水用量的增大也佐證了過熱蒸汽溫度偏高這一情況。減溫器設(shè)在低過出口集箱和高過入口集箱之間，高過入口集箱的珠光體球化程度低于低過出口集箱，說明減溫器的減溫作用使過熱蒸汽的溫度得以緩解，但經(jīng)過高溫過熱器后，蒸汽會(huì)再次出現(xiàn)超溫。

六、解決該臺(tái)鍋爐高溫部件超溫問題的思路

鑒于上述分析，簡單的更換材質(zhì)劣化的部件不能從根本上解決問題，解決問題的思路有：

1.對(duì)制粉系統(tǒng)進(jìn)行徹底的改造，增大高溫爐煙管道流通截面積，提高風(fēng)扇磨干燥風(fēng)量，使制粉系統(tǒng)出力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而保障鍋爐在額定工況下運(yùn)行。

2.修復(fù)燒損的十字風(fēng)燃燒器，減少一次風(fēng)管道阻力，穩(wěn)定燃燒器出口氣流，使其著火穩(wěn)定，提高鍋爐燃燒穩(wěn)定性和負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍。

3.加強(qiáng)運(yùn)行管理，嚴(yán)格控制各級(jí)過熱器出口溫度，杜絕超溫現(xiàn)象。

七、結(jié)語

根據(jù)以上分析，無論是由于制粉系統(tǒng)處理不足及燃燒器損壞的原因，還是負(fù)荷要求的原因等，只要該鍋爐長期低負(fù)荷運(yùn)行，均會(huì)出現(xiàn)過熱器金屬壁面溫度超溫的現(xiàn)象。因此，對(duì)于有過熱器的鍋爐，建議不要在低負(fù)荷的狀態(tài)下長期運(yùn)行。如果有過熱器的鍋爐需要長期在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，應(yīng)對(duì)過熱器采取有效的保護(hù)措施。對(duì)存在長期低負(fù)荷運(yùn)行工況的電站鍋爐實(shí)施檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)高溫部件材料的組織性能檢測要引起足夠的重視。

[1]前蘇聯(lián)熱工研究所和前蘇聯(lián)中央汽輪機(jī)研究所.鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法，1973.

[2]強(qiáng)天鵬.壓力容器檢驗(yàn)[M].北京：新華出版社.2008.

[3]DL/T773《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，2001.

TE968

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1671-0711（2016）05-0056-03