組織球化級別用于管道服役壽命的思考

薄強浩

摘要：通過對火電鍋爐安全性能檢驗和發現問題的分析，結合生產狀況，就電站用鋼長期高溫運行所產生的球化現象，對鍋爐受熱面、蒸汽管道蠕變性能的影響作簡要分析，對金相組織球劃級別用于管子使用、判廢提出幾點思考。

關鍵詞：球化;蠕變;受熱面;判廢

1 前言

據國內300MW以上電站鍋爐可靠性統計，鍋爐非計劃停運中四管泄漏導致的占60%左右，居原因的首位。其中由于受熱面和蒸汽管道長期在高溫下運行，部件組織嚴重惡化，出現球化現象，導致管道的蠕變強度急劇下降，造成失效屬于最常見的現象。因此，通過認真細致的安全性檢查，探索材料的蠕變機理，對于控制構件的失效，節約成本，減少沒有必要的非計劃停機具有重要意義。

2 球化

眾所周知，電站所用的鋼管材料大多含有合金成分，合金鋼管長期在高溫高壓下運行會造成組織性能的惡化，出現珠光體的球化、碳化物的聚集和合金元素的再分配，這種組織變化表現為珠光體中的碳化物由片狀轉變為球狀，細小分散的碳化物聚集成大顆粒碳化物。這種變化將引起鋼的強烈軟化，導致高溫強度的降低，常溫下的σb、σs也有所降低。低合金耐熱鋼的正常組織為P+F，珠光體由片狀滲碳體和片狀的鐵素體相間組成，由于片狀物的表面能比球狀物的表面能大，所以片狀珠光體是一種亞穩組織，其中滲碳體有轉化為球狀碳化物，并聚集長大的發展趨勢，這個轉變要通過碳原子的擴散來實現。因此，凡是影響到碳原子擴散的因素都將影響珠光體和碳化物的聚集。

3 蠕變

3.1 蠕變現象

材料在高溫和恒定的應力作用下，即使應力低于彈性極限，也會發生緩慢的塑性變形，這種現象稱為蠕變。所以，蠕變是在恒定應力作用下，隨著時間的延長而材料持續形變的過程。在高溫條件下，材料卻有著與常溫下不同的蠕變行為，借助于高溫作用和外力作用，材料出現前文所說的球化，形變障礙得到克服，內部質點發生遷移，晶界相對移動，于是蠕變現象就很容易產生了。

3.2 蠕變的過程

蠕變可分為四個階段，即：起始區域，蠕變減速階段，蠕變穩態階段，加速蠕變階段，下面主要介紹蠕變減速，穩態和加速階段。

如圖所示，Ι 區域是我們熟知的高溫蠕變減速階段，曲線斜率減小，意味著應變速率隨著時間的遞增而遞減。到達b點時，曲線斜率接近一個常數，小于在a點時的速率。Ⅱ區域我們稱為蠕變穩態階段，這一階段特點是蠕變速率幾乎不變，從圖像反映出來是一條直線。而Ⅲ區域，就是加速蠕變階段，特點是蠕變速率隨時間增加而增加，曲線變陡。能預言到最后，蠕變過大，材料斷裂破壞。

3.3 組織對蠕變的影響

3.3.1 組織片層取向的影響

Fe-C合金的片層組織變形存在顯著的各向異性.這必然會對多晶體片層組織的蠕變性能產生重要影響.因為在蠕變過程中， 相鄰晶粒可能由于各晶粒中片層取向的不同而導致變形的不協調性， 勢必在晶界上產生較大的應力集中， 當應力與片層的夾角為45°時，蠕變強度最低。

3.3.2晶粒尺寸的影響

當材料具有較大的晶粒尺寸時， 由于相鄰晶粒變形的不協調性造成的晶間或片層間裂紋在擴展到晶界或三角晶界等障礙之前， 長度就可能超過其臨界裂紋長度而導致試樣的斷裂.因此， 減小晶粒尺寸， 有利于提高合金的蠕變損傷容限， 從而延長合金的蠕變壽命。

4受熱面管的失效

4.1高溫氧化腐蝕失效

過熱器、再熱器在高溫、應力、腐蝕介質下長期工作，管子外壁受高溫煙氣的沖刷腐蝕，產生高溫煙氣氧化腐蝕產生高溫煙氣氧化腐蝕;管子內部受流動過熱蒸汽溫度和壓力的作用，產生高溫蒸汽氧化腐蝕，這樣，在內外腐蝕作用下，受熱面管材過熱、變薄、老化，直至失效爆管。

煙氣側的高溫腐蝕是一個復雜的物理化學過程，高溫腐蝕主要是硫酸鹽型高溫腐蝕。鍋爐在運行中，管壁中的鐵與氧反應生成一層很薄的氧化鐵，該氧化鐵對管壁具有保護作用，但是，如果在過熱蒸汽器、再熱蒸汽器煙氣側產生硫酸鹽型高溫腐蝕，就會破壞這層穩定的氧化鐵保護層，管壁會因腐蝕而變薄，造成受熱面失效。硫酸鹽型腐蝕多發生在550～710 ℃的溫度下，其中在650～700 ℃的溫度下腐蝕最強烈。

5 解決高溫受熱面超溫問題的對策

5.1壁溫測量盡量準確

壁溫測點選擇合適及在可能超溫的地方加裝必要的測點，將測點裝在實際最高壁溫的管子上，改進安裝方法，使熱電偶的接點能可靠地與管壁接觸;盡量推廣和應用鍋爐“四管” 泄漏的在線檢測技術。

5.2做好運行調整工作

a） 做好燃燒調整工作，保持合適的爐膛火焰中心，防止火焰偏斜。對超溫嚴重的鍋爐進行針對性較強的燃燒調整試驗，調整好鍋爐燃燒的配風及火焰中心高度，找出合理的運行方式，緩解超溫問題。

b） 運行中控制好機組起停、磨煤機升降負荷的調節速度，避免變化速度過快造成的超溫;保持受熱面內外的清潔;減少因空氣預熱器和爐膛本體漏風引起的超溫。

c） 控制好爐膛出口煙溫和管內蒸汽溫度不超溫并及時投入減溫裝置。

5.3防止或減輕高溫氧化腐蝕

a） 嚴格按照鍋爐監察和金屬監督規程，嚴禁超溫、超壓運行，加強爐水管理，把pH值控制在要求的范圍內。停爐檢修期間，要采取妥善的防腐措施。根據蒸汽側高溫氧化腐蝕機理，采取措施，減輕或防止高溫腐蝕的發生。

b） 硫酸鹽高溫腐蝕的程度主要與溫度的高低有關，溫度越高，腐蝕越嚴重，控制管壁溫度是減輕高溫腐蝕的最有效辦法。在實際應用中，有以下一些具體方法：把過熱蒸汽、再熱蒸汽溫度控制在一定范圍內;把過熱蒸汽器、再熱蒸汽器及固定件等易腐蝕部件布置在低溫煙氣區;合理布置過熱蒸汽器、再熱蒸汽器系統，使金屬溫度維持在腐蝕危險溫度以下。

結束語

大型鍋爐高溫受熱面，蒸汽管道長時間的高溫運行，勢必導致組織的球化和性能惡化，造成構件的強度、硬度，特別是高溫蠕變性能降低，給設備運行帶來隱患。受熱面等高溫失效以蠕變為主，其壽命評估即基于此，所以很有必要對這方面的問題進行細致深入的研究和攻關，提早預判，減少爆管對生產運行的影響。

參考文獻：

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