一臺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 強君剛

（呼倫貝爾市特種設備檢驗所，內蒙古 呼倫貝爾 021000）

一臺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 強君剛

（呼倫貝爾市特種設備檢驗所，內蒙古 呼倫貝爾 021000）

某發電廠3#鍋爐運行時間不到8萬h，高溫部件金屬組織即發生了普遍劣化。本文通過理論分析，并進行數據計算，對出現這一情況的原因進行分析研究，提出解決思路。

鍋爐高溫部件；材質劣化；低負荷運行；過熱器超溫

某發電廠3#鍋爐為中溫、中壓、單汽包自然循環煤粉鍋爐，型號為*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，水平煙道布置兩級過熱器，尾部豎井從上到下交叉布置兩級省煤器和兩級空氣預熱器。鍋爐采用單段蒸發，過熱器溫度采用噴水調節，燃燒器為帶夾心十字風直流燃燒器，正四角布置，1#、3#角切圓，2#、4#角對沖。設計煤種為寶日希勒煤礦褐煤，原煤低位發熱量為2978kcal/kg，原煤水分為34.71%。

2.15年8月份我所對該爐進行了內外部檢驗，發現鍋爐高溫部件金屬組織發生了普遍劣化。

一、材質劣化的范圍及判定

檢驗中初步對集汽集箱及高過出口集箱進行了金相檢測，發現兩個集箱的金屬組織珠光體皆嚴重球化，現場金相照片見圖1。

圖1

照片顯示，金相組織中的珠光體區域形態已完全消失，碳化物球狀分布在鐵素體晶界。組織特征按《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》為珠光體球化5級。

經對3#爐集汽集箱、高過出口集箱金相復查及進一步擴大范圍檢驗發現，鍋爐高溫部件金屬組織發生了普遍劣化。金相檢驗情況見下表1。

表1

經了解，3#鍋爐的運行時間不到8萬小時，高溫過熱器出口集箱等高溫部件的材質為12Cr1MoV，同時檢驗的1#、2#鍋爐（運行參數相同，不同廠家制造）運行時間比3#鍋爐長得多，高溫部件材質為碳鋼20G，球化程度卻低于3#鍋爐的水平。為什么會有這樣的情況出現呢？

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。片狀珠光體是不穩定的組織，其中的片狀滲碳體有自行轉變為球狀并聚集成球團的趨勢，當珠光體鋼在高溫下長期使用時，由于溫度較高時原子的活動能力強，擴散速度增加，珠光體中的片狀滲碳體會逐漸轉變為球狀滲碳體，并緩慢聚集長大成球團，這種現象稱為珠光體球化。珠光體球化的結果使材料的常溫強度和高溫強度顯著降低，包括材料的屈服點、抗拉強度、沖擊韌度、蠕變極限和持久極限各指標全面下降，塑性、韌性變差，材質老化，嚴重影響材料的繼續安全服役。

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

三、鍋爐運行相關情況

1.鍋爐制粉系統出力不夠。

3.#鍋爐于2001年安裝，并于同年11月份建成投產。按設計，該爐的正壓直吹式制粉系統采用高溫爐煙（980℃）摻熱風（460℃）干燥，高溫爐煙從水冷壁兩側抽出，熱風來自空氣預熱器高溫段出口，配套安裝3臺S14.75風扇磨煤機，兩臺運行，一臺備用。投產后，燃用設計煤種，投用兩套制粉系統時，不能滿足鍋爐額定工況運行所需，鍋爐燃燒不穩定，鍋爐出力在55t/h以下。采用三套制粉系統運行時，鍋爐最大出力也僅為70t/h，不但增加了廠用電，同時因為沒有備用制粉系統，給鍋爐安全穩定運行帶來了很大的影響。

2.燃燒穩定性問題。

因高溫爐煙管道流通截面積不夠，導致運行風扇磨通過備用風扇磨經一次風管道從爐膛倒抽高溫煙氣，破壞了爐內的空氣動力場，即破壞了爐膛內的燃燒工況。鍋爐采用帶夾心十字風的直流燃燒器，十字風管道由于高溫煙氣倒抽而燒損，同時損壞的十字風管道增加了一次風阻力，擾亂了煤粉氣流，使燃燒器出口著火不穩定，這種情況在鍋爐低負荷情況下更為明顯。

3.高溫部件超溫情況。

據可查的運行記錄顯示，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、低負荷運行導致過熱器超溫的理論分析

依據《鍋爐機組熱力計算標準方法》，1973年版，前蘇聯熱工研究所和前蘇聯中央汽輪機研究所（以下簡稱《標準方法》）。目前，我國小型發電鍋爐設計中的熱力計算大多沿用該方法。

爐內介質和受熱面的輻射換熱方程式為：

式中：Qл——爐內傳熱量，kcal/kg。

σ0——絕對黑體的輻射常數，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——計算燃料消耗量，kg/h；

x——考慮介質選擇性輻射換熱的影響的系數；

TФ——爐內介質的絕對有效溫度，K；

Tэ——污染表層的絕對溫度，K。

為便于分析，不采用單位燃料公式，則式（1）變換為：

該鍋爐運行期間的實際出力為額定負荷的69%～80%，實際負荷時，鍋爐結構未變，aк、Hл和x基本不變，由于汽輪機對工作壓力的要求，鍋爐工作壓力基本不變，Tэ未變。

設實際負荷為X%，則兩工況的傳熱比值為：

根據以上計算，在保證鍋爐出口壓力的前提下，鍋爐負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，鍋爐負荷降低時，煙溫下降幅度與過熱器內工質流量下降幅度不成正比，也就是說，鍋爐的長期低負荷運行會造成過熱器長期在高溫下運行。

五、球化原因綜合分析

由于制粉系統出力不足及燃燒器損壞等原因，使爐膛燃燒不穩定，產生的熱量不足，為保障鍋爐出口蒸汽壓力，運行中沖刷過熱器的煙氣溫度降幅明顯小于過熱器內蒸汽流量的降幅，也就是說，鍋爐長期的低負荷運行會造成其高溫部件的長期超溫，加大了球化的速率，從而在較短的時間里出現普遍材料的劣化現象。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，但經過高溫過熱器后，蒸汽會再次出現超溫。

六、解決該臺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.對制粉系統進行徹底的改造，增大高溫爐煙管道流通截面積，提高風扇磨干燥風量，使制粉系統出力達到設計要求，進而保障鍋爐在額定工況下運行。

2.修復燒損的十字風燃燒器，減少一次風管道阻力，穩定燃燒器出口氣流，使其著火穩定，提高鍋爐燃燒穩定性和負荷調節范圍。

3.加強運行管理，嚴格控制各級過熱器出口溫度，杜絕超溫現象。

七、結語

根據以上分析，無論是由于制粉系統處理不足及燃燒器損壞的原因，還是負荷要求的原因等，只要該鍋爐長期低負荷運行，均會出現過熱器金屬壁面溫度超溫的現象。因此，對于有過熱器的鍋爐，建議不要在低負荷的狀態下長期運行。如果有過熱器的鍋爐需要長期在低負荷狀態下運行，應對過熱器采取有效的保護措施。對存在長期低負荷運行工況的電站鍋爐實施檢驗時，對高溫部件材料的組織性能檢測要引起足夠的重視。

[1]前蘇聯熱工研究所和前蘇聯中央汽輪機研究所.鍋爐機組熱力計算標準方法，1973.

[2]強天鵬.壓力容器檢驗[M].北京：新華出版社.2008.

[3]DL/T773《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》，2001.

TE968

B

1671-0711（2016）05-0056-03