12Cr1MoVG水冷落渣管鼓包失效分析

孫堅 單小云 龔俊 張洪 金建榮 劉成威 陸海峰 陳國星

摘要：通過對落渣管進行金相組織、硬度、力學性能及掃描組織成分測試，分析鼓包原因。結果表明，落渣管鼓包處金相組織由鐵素體和粒狀貝氏體組成，明顯區別于鼓包上方的鐵素體和珠光體組織;鼓包處硬度較其他區域高;鼓包處向火側存在大量Fe的氧化物和飛灰，落渣管底部積累/附著較多水垢/積渣。落渣管鼓包的原因是管道內部循環不暢，熱量不能及時交換，超過最高使用溫度，發生相變，導致材料部分區域強度下降，發生塑性變形。

關鍵詞：落渣管;鼓包;飛灰;塑性變形

引言

循環流化床鍋爐因為其燃燒效率高、污染排放少、燃料適應性廣等優點在我國迅速發展，經過數十年的發展建設，我國的循環流化床總臺數和鍋爐蒸發量在世界上居于前列[1-3]。目前，國內外對于循環流化床鍋爐技術的研究主要集中在鍋爐管[4]、水冷壁[5，6]、省煤器[7，8]、脫硫[9]等方面，對于落渣管的分析比較少見。落渣管作為鍋爐內極小部件，但是經常會發生因設計不當或服役環境問題，導致落渣管故障引發鍋爐非停，影響鍋爐連續運行率，帶來安全隱患。

某火電廠CFB鍋爐額定參數9.8MPa，540℃。在累計運行8萬小時后，水冷落渣管發生鼓包爆管事故。通常情況下，循環流化床的落渣管由于排渣磨損原因，落渣管易在上部失效，而本次失效位置在落渣管的中下部，出現在不易發生失效的部位，引發爆管導致鍋爐非停，影響電廠安全穩定運行。本文對鼓包的水冷落渣管進行失效分析，以期查明鼓包原因。

1 試驗部分

1.1 試樣材料

管道內壁變形鼓包處最薄處厚度為1mm，平均厚度為3～4mm，管道外壁水垢厚度為400μm。本試驗從中進行取樣測試分析，鼓包的落渣管材質是12Cr1MoVG，管道規格是φ273×20mm。

1.2 ?測試方法

對取樣試樣進行鑲嵌，然后按照400/800/1200#砂紙順序研磨、拋光，再采用硝酸酒精腐蝕10s，超聲清洗吹干后，最后利用ZEISS金相顯微鏡觀察試樣金相組織;采用QNESS顯微維氏硬度計進行硬度測試，載荷選擇0.3kg，保載15s;采用SANS萬能試樣拉伸機對試棒進行拉伸實驗，拉伸速率為0.5mm/min;采用SEM、EDS手段對試樣的形貌和成分進行分析，探究落渣鼓包原因。

2 試驗結果及分析

2.1 金相組織

為分析鼓包處內部組織的變化，在鼓包處向火側、背火側分別取樣，進行金相分析，結果如圖1所示。從圖1（a）可以看出，管材向火側處的金相組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體，晶粒尺寸較細;管材背火側，即靠近冷卻水一側的金相組織也是鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體，但與向火側相比鐵素體的晶粒尺寸有所增大，見圖1（b）。因為此處的水垢、積渣導致水流受阻，局部溫度增加，導致此處的

為進一步分析落渣管金相組織變化，在鼓包處上方取樣進行金相實驗，其金相組織結果見圖2。由圖可知，向火側的金相組織為鐵素體+珠光體;在由向火側向背火側移動時，試樣內部金相組織中的珠光體開始分散，部分碳化物變成條狀，部分晶界處析出碳化物，導致材料性能降低。

2.2 硬度測試

對落渣管鼓包處截面進行硬度分析，從向火側到背火側，平均選取5個點，觀察硬度變化趨勢，結果見圖3。由圖3可知，5個點的硬度值相差不大，平均值在250.2 HV0.3左右，較12Cr1MoVG的硬度有所增加，這是因為鼓包處貝氏體組織數量較多，貝氏體組織的硬度較鐵素體高，這與金相組織的分析結果吻合。在鼓包上方試樣上由表及里選取9個點進行硬度分析，試樣背火側的平均顯微維氏硬度為157 HV0.3，不斷靠近向火側時，硬度逐漸增加，在向火側的顯微硬度值為178 HV0.3，這是因為根據金相組織分析，背火側發生脫碳現象，導致材料硬度有所降低。

2.3 拉伸性能

在落渣管鼓包處上方取樣進行拉伸試驗，測試結果見表1。由結果可知，落渣管鼓包上方的拉伸性能符合GB 5310-2008中12Cr1MoV鋼的拉伸性能標準，說明此時落渣管內部其他部分力學性能并未因為鼓包導致下降，但是此時落渣管的斷后伸長率和收縮率都大于50%，說明此時管道塑性較好，極易發生塑性變形。

2.4 形貌及成分測試

為更好分析落渣管鼓包的原因，對其截面進行掃描形貌和成分分析。鼓包處截面背火側凹凸不平，存在縫隙與孔洞，表面形成較多凝結物;根據的能譜分析，可以看出背火側主要元素為O、Fe、Si，其含量分別為49.86 at.%、32.33 at.%和9.84 at.%，另外還存在少量Na、Al元素，說明此時背火側表面存在大量水垢、硅酸鹽等。鼓包處截面向火側表面存在一層腐蝕氧化層，厚度為40μm，并且部分擴散進入試樣內部，形成氧化腐蝕產物;成分分析結果顯示，氧化腐蝕層中主要有O、Si、Ca、Fe元素，含量為50.79 at.%、13.87 at.%、10.25 at.%和17.10 at.%，還有一定含量的S、P、Al、Na等元素，說明氧化腐蝕層中主要由Fe的氧化物、燃料產生的飛灰落渣組成。

3 結論

（1）落渣管鼓包處的金相組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體，鼓包上方組織為鐵素體+珠光體;鼓包處的金相組織發生變化，并且晶粒尺寸較為粗大，導致材料的性能降。

（2）管道鼓包處的微觀硬度為250.2HV0.3，較管道其他區域高，主要是管道鼓包處含有貝氏體，使得此處的硬度較大，并對鼓包位置上方進行取樣，檢測顯示力學性能符合標準;

（3）落渣管鼓包原因是鍋爐長期運行，在落渣管內側底部積累/附著較多水垢/積渣，發生“循環水流不均勻”現象，產生熱量傳導不均勻，局部溫度逐漸升高，導致落渣管局部超時高溫服役，材料力學性能下降，發生塑性變形，產生鼓包失效的現象。

參考文獻

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第一作者簡介：孫堅（1975—），浙江紹興，工程師，本科，從事熱電行業熱力系統管道、鍋爐及環保等設備安裝改造、檢維修工作。