電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷及失效性分析

李 恒

（國家電投集團江西電力有限公司新昌發電分公司，江西 南昌 330100）

電站鍋爐內的金屬四管件包括：再熱器管、水冷壁管、過熱器管以及省煤器管，由于電站鍋爐內金屬四管件在受熱過程中很容易出現失效事故，造成電站鍋爐異常停運。分析電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷，是防止電站鍋爐內金屬四管件受熱失效的主要途徑。我國對電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷的研究起步較早，早在1998年前就有對電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷分析的經驗，通過對電站鍋爐內金屬四管件宏觀形貌的分析，總結其失效原因，達到分析電站鍋爐內金屬四管件受熱失效性的目的。盡管通過此方法能夠取得了一定的研究成果，但存在分析不精準的問題。為此，本文提出電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷及失效性分析。希望通過本文研究，為提升電站鍋爐內金屬四管件運行的安全性能提供理論依據。

1 電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷分析

電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷共有9種，分別為：短時過熱爆管、腐蝕、應力拉傷、應力腐蝕、焊接缺陷、材質不良、熱疲勞、磨損以及長時過熱。本文重點分析電站鍋爐內金屬四管件受熱中最常出現的3種缺陷，電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷框架圖，如圖1所示。

圖1 電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷框架圖

結合圖1所示，針對以上3種缺陷的具體分析內容，如下文所述。

1.1 長時過熱爆管

現狀概述。在我國東北地區，發生一起電站鍋爐內“四管”因長時間過熱，從而導致鍋爐內“四管”失效，不能進行繼續工作。鍋爐內的“四管”長時間出現過熱時，會出現爆管現象，同時，水冷壁管也會出現熱管爆現象。

宏觀特征。鍋爐內的爆口不大，管道內的切面出現粗糙不平的情況，在管道的邊緣，則呈現出鈍邊、爆口附近有多條較長的裂紋、同時，管道的減薄較少，在附近管內外壁均出現較厚的氧化層。

微觀特征。金相組織球化較為嚴重，球化級別一般可達到4～5級。

失效原因。受熱的面管道出現阻塞現象，導致鍋爐內的介質循環不暢通，從而造成鍋爐管內的內壁有效面積不斷減小，導致熱交換不能充分完成；設計不合理，熱偏差太大；爐焦化，燃燒調節不正確，爐內局部熱負荷過高，鍋爐水質較差，使得受熱面蒸汽側被沉積物覆蓋，致使受熱面冷卻效果差，傳熱等的惡化現象發生。過熱的主要原因是因長時間的過熱會導致金屬特性與韌性強度下降，并最終導致高度過熱區域的管道破裂。如果過熱時間較短或者過熱溫度尚未達到標準限值時，則要經過較長時間才會出現管道爆裂現象。

1.2 短時過熱爆管

電站鍋爐內金屬四管件受熱過程中，水冷壁管爆口邊緣會由于壁溫度短時超過相變點導致曝管[1，2]。電站鍋爐內金屬四管件的短時過熱部位，可以將其視為斷裂力學的起點。金屬四管接頭的斷裂韌性與內壁溫度之間的關系，可以達到消除內應力與降低硬度的目的，并提供金屬材料平衡的內部結構。電站鍋爐內金屬四管件受熱短時過熱爆管主要依據金屬四管件自身的臨界點，當溫度達到臨界點再退去之后，金屬四管件中位錯會明顯減少，導致位錯密度下降，從而造成電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷。

具有水冷壁的管的破裂邊緣的金相結構分為兩種情況：第一，壁溫在短時間內超過相變點，金相結構為低碳馬氏體加貝氏體。其次，壁溫。在短時間內爆炸而未超過相變點時，管道內金相組織變形為珠光體加鐵素體。

1.3 應力拉傷

當電站鍋爐內金屬四管件受熱時，水冷壁管外部應力較大，本文將測量切削刃，以衡量金屬四管件的機械性能，熱處理彈性剪切應力作用下金屬四管增強件應力-應變狀態分析的重要指標。分析切削刃和應力應變的測量，并表征金屬四管接頭抵抗剪切應變的能力。金屬四管接頭的抗剪強度越強，四管金屬接頭的剛度就越高。由于發電廠的鍋爐中的金屬四通管件的熱處理溫度不同，因此金屬四通管件自身的物理性能在熱處理過程中也不同[3]。因此，金屬四管件溫度在經過熱處理后必然會產生一定程度上的變化。設切邊模量為G，則其計算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，E指的是金屬四管件的彈性模量；U指的是金屬四管件切邊產生的先天性誤差；C指的是電站鍋爐內金屬四管件受熱處理溫度。設E為自變量，而其他參數保持不變時，G也會隨之發生變化。金屬四管件的彈性模量越大，金屬四管件的切邊模量數值越大，金屬四管件的彈性模量和切邊模量之間同樣為正比例增長關系。當金屬四管件彈性模量數值增長到熱膨脹系數最大時，導致應力拉傷的電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷產生。

1.4 應力腐蝕

由于電站鍋爐內金屬四管件受熱，金屬四管件受到煙氣成分影響，會被含有侵蝕性的陰離子介質腐蝕[4]。應力腐蝕受熱缺陷形成原因示意圖，如圖2所示。

圖2 應力腐蝕受熱缺陷形成原因示意圖

結合圖2所示，造成電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷的原因主要包括：煙氣成分影響、管外積灰結渣以及傳熱不均勻。在電站鍋爐內金屬四管件受熱時，通過改變金屬四管接頭的內部特性和結構，會發生金屬四管接頭的相變和熱應力。本文采用三種退火工藝，即亞溫度退火、間歇球體退火以及等溫球體退火，分析了電廠鍋爐金屬四通管件的加熱與金屬四通管件的應力腐蝕之間的關系。退火工藝具體參數，如下表所示。

表1 退火工藝具體參數

結合表1信息，在退火期間的金屬四通管件的冷卻過程中，由于金屬四通管件的芯與表面層的冷卻速率的差異性，產生的熱應力的量也改變。當金屬四管接頭的芯冷卻時，其溫度必須高于表面溫度；當金屬四管接頭的表面冷卻時，表面積必須大于芯子的表面積。殘余應力是四管金屬退火過程中相對應力和熱應力疊加的結果。退火過程中四管金屬的冷卻速率至關重要。本文通過計算電站鍋爐內金屬四管件受熱殘余應力，以殘余應力作為衡量應力腐蝕程度的指標。設電站鍋爐內金屬四管件受熱殘余應力為δ，可得公式（2）：

公式（2）中，P指的是退火工藝中金屬四管件的冷卻速度；K指的是電站鍋爐內金屬四管件的管壁厚度；R指的是電站鍋爐內金屬四管件受熱的周向應力；r指的是電站鍋爐內金屬四管件受熱的軸向應力。通過公式（2），可以得出電站鍋爐內金屬四管件管子內表面殘留物越多，導致金屬四管件管壁厚度增加，則含有侵蝕性的陰離子介質濃縮越大，導致電站鍋爐內金屬四管件受熱應力腐蝕缺陷越嚴重。

2 電站鍋爐內金屬四管件受熱失效類型

本文通過確定電站鍋爐內金屬四管件受熱失效類型，為電站鍋爐內金屬四管件受熱失效性分析提供依據[5]。電站鍋爐內金屬四管件受熱失效類型，如下表所示。

表2 電站鍋爐內金屬四管件受熱失效類型

結合表2信息可知，電站鍋爐內金屬四管件受熱失效類型共包括6種，且表中的每種原因都會引起電站鍋爐內金屬四管件受熱失效。

3 電站鍋爐內金屬四管件受熱失效性分析

以電站鍋爐內金屬四管件受熱失效類型為基準，綜合分析電站鍋爐內金屬四管件受熱失效性。在電站鍋爐內金屬四管件受熱時，溫度最高可達700攝氏度，因此，金屬四管件的工作環境十分惡劣[6]。不僅要承受高溫、高壓，還會受到煙氣的影響，造成電站鍋爐內金屬四管件的損傷，導致爐內燃燒不均勻形成的強熱傳導部位以及水冷壁易遭氫損害的部位很容易造成受熱失效。在周而復始的工作中，當電站鍋爐內金屬四管件受熱磨損累計到一定程度時，必然會出現熱疲勞，進而形成裂紋，導致電站鍋爐內金屬四管件受熱失效。綜上所述，引發電站鍋爐內金屬四管件受熱失效的原因是多種多樣的，必須結合電站鍋爐內金屬四管件的具體工作環境，針對性的分析其產生失效的具體原因。

4 結束語

考慮到電站鍋爐內金屬四管件受熱失效方面的研究愈發的受到重視，提高電站鍋爐內金屬四管件受熱的安全性長期以來一直是相關領域學者的重點研究問題。因此，本文對電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷及失效性分析是十分必要的，且具有現實意義。通過電站鍋爐內金屬四管件受熱缺陷及失效性分析，希望能夠為降低電站鍋爐內金屬四管件受熱失效的頻率提供參考。但本文唯一不足之處在于，沒有對防止電站鍋爐內金屬四管件受熱失效的具體對策進行深入分析，可以作為電站鍋爐內金屬四管件受熱領域日后的研究內容之一。