電站鍋爐防焦箱鼓包壽命預(yù)測(cè)新方法

潘金平，潘柏定，程宏輝，祝新偉，徐祥明，李路明

(1.嘉興市特種設(shè)備檢測(cè)院，浙江嘉興 314051;2.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

0 引言

鼓包對(duì)于電站鍋爐受壓元件比較常見，如鍋爐爐管鼓包、集箱鼓包、汽包鼓包等，對(duì)于鍋爐受壓元件鼓包原因較常見的分析是鍋爐給水不良，造成鍋爐受壓元件內(nèi)部結(jié)垢過熱造成鼓包［1－4］，但未見有文獻(xiàn)分析受壓元件鼓包形成的機(jī)理和微觀組織結(jié)構(gòu)變化對(duì)鼓包的進(jìn)程起到的作用，另外，更少文獻(xiàn)提及受壓元件高溫防腐漆的作用及對(duì)受壓元件鼓包形成過程所起的作用。文中從一起普通的防焦箱鼓包事故對(duì)鼓包形成的內(nèi)在機(jī)理及高溫防腐漆對(duì)鼓包成因的影響進(jìn)行深入分析探討，并利用Matlab建立相關(guān)數(shù)據(jù)模型，根據(jù)該模型，提出一種新的檢驗(yàn)球化程度的方法，并以此來預(yù)測(cè)防焦箱等受壓元件的剩余壽命，同時(shí)可以取代現(xiàn)場(chǎng)金相這種繁瑣的檢測(cè)方式。

1 檢測(cè)方法和結(jié)果

1.1 宏觀檢查

某單位于2001年6月投用一臺(tái) SHL20－2.45/400AⅡ鍋爐，額定蒸發(fā)量20 t/h，使用壓力2.3 MPa，其中防焦箱內(nèi)部運(yùn)行溫度約290℃。2010年1月，停爐內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)爐膛東側(cè)左右兩個(gè)防焦箱(尺寸:?219 mm×10 mm，材質(zhì):20G)靠近封頭處的位置都有較大面積鼓包，其中防焦箱Ⅰ(見圖1)鼓包長(zhǎng)度約190 mm，高度約60 mm，在鼓包的中間位置有裂紋，裂紋區(qū)域位于爐膛的輻射高溫區(qū)，裂紋長(zhǎng)度約50 mm，裂紋寬度約2 mm，鼓包距右側(cè)集箱封頭約10 mm;防焦箱Ⅱ(見圖1)鼓包長(zhǎng)度約185 mm，高度約60 mm，鼓包距左側(cè)集箱封頭約10 mm。對(duì)防焦箱Ⅰ，Ⅱ進(jìn)行切割觀察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部都有大量垢渣積聚在內(nèi)壁上，而集箱外部高溫防腐漆破損脫落，其中防焦箱Ⅰ高溫防腐漆破損脫落更為嚴(yán)重。因防焦箱Ⅰ和Ⅱ?qū)ΨQ，都有相同鼓包狀況，因此文中僅針對(duì)防焦箱Ⅰ進(jìn)行分析。

圖1 防焦箱及鼓包位置示意

1.2 取樣方法

采用線切割方式，對(duì)防焦箱Ⅰ鼓包區(qū)域取金相試樣(見圖2)，圖2中A為鼓包上沿部位，B為鼓包中間部位，C為鼓包下沿部位，D為鼓包外沿部位，E為距鼓包處250 mm的未鼓包部位。對(duì)未鼓包處取1塊光譜分析試樣和縱向方向取3根拉伸試樣。

圖2 防焦箱Ⅰ金相取樣位置

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)所取的光譜分析試樣使用ARL4460型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可知，防焦箱未鼓包處材質(zhì)的各元素含量均符合GB 5310—1995對(duì)20G鋼的技術(shù)要求。

1.4 硬度測(cè)試

對(duì)防焦箱Ⅰ鼓包區(qū)域所取的金相試樣進(jìn)行顯微硬度和布氏硬度測(cè)試，顯微硬度試驗(yàn)載荷1.96 N，保持時(shí)間10 s;布氏硬度試驗(yàn)載荷7350 N，加載時(shí)間5 s，結(jié)果見表2。顯微硬度HV0.2值與布氏硬度值有一定的差異，差異的原因在于顯微硬度HV0.2測(cè)試的菱形區(qū)域大部分在鐵素體和珠光體組織界面上，數(shù)據(jù)是兩者綜合的體現(xiàn)，而布氏硬度HBW值測(cè)試是在試樣宏觀表面上。20G鋼組織以約80%面積的鐵素體和約20%面積的珠光體構(gòu)成，這樣顯微硬度和布氏硬度數(shù)據(jù)就存在一定的差異，且具有規(guī)律性。

表1 防焦箱Ⅰ的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表2 防焦箱Ⅰ鼓包區(qū)域HV0.2、脫碳層、晶粒度、球化等級(jí)數(shù)據(jù)

1.5 厚度測(cè)試

對(duì)防焦箱Ⅰ鼓包處位置進(jìn)行厚度測(cè)定，結(jié)果見表3。防焦箱的公稱厚度10 mm，測(cè)得鼓包上沿部位的最小厚度為4.9 mm，鼓包處壁厚最大減薄量達(dá)到5.1 mm;對(duì)位置E進(jìn)行測(cè)厚，最小厚度10.2 mm，考慮正偏差，位置E并未實(shí)質(zhì)性減薄。

表3 防焦箱Ⅰ鼓包區(qū)域A和E位置厚度

1.6 力學(xué)性能

對(duì)防焦箱Ⅰ縱向試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到抗拉強(qiáng)度的平均值450 MPa，屈服強(qiáng)度的平均值270 MPa，符合GB 5310—1995對(duì)20G鋼的技術(shù)要求。

1.7 金相檢驗(yàn)

對(duì)防焦箱Ⅰ鼓包區(qū)域取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，取樣位置和方式按1.2節(jié)要求。脫碳層深度測(cè)量按照GB/T 224—2008執(zhí)行，晶粒度按照 GB/T 6394—2002評(píng)級(jí)，球化等級(jí)按照DL/T 674—1999評(píng)級(jí)，結(jié)果見表2。從表2可知，這5處位置的脫碳層深度、球化等級(jí)、晶粒度并不相同，鼓包上沿部位的脫碳層深度與鼓包中間部位的脫碳層深度相差不大，球化等級(jí)均為3級(jí)，晶粒度均為9級(jí);而鼓包下沿部位完全脫碳，晶粒度為9級(jí)，球化等級(jí)為5級(jí)，屬于完全球化;鼓包外沿部位和距鼓包處250 mm部位均未脫碳，但晶粒度和球化等級(jí)不一樣，晶粒度分別為9和9.5級(jí)，球化等級(jí)分別為2級(jí)和1級(jí)。

從圖3的脫碳層照片可看出，距鼓包250 mm的部位和鼓包外沿部位均未脫碳，其所在部位集箱表面的高溫防腐漆未見受損;鼓包上沿部位和鼓包中間部位均有脫碳，鼓包中間部位比鼓包上沿部位脫碳稍微嚴(yán)重，其所在部位集箱表面的高溫防腐漆破損嚴(yán)重;鼓包下沿部位完全脫碳，其所在部位集箱表面的高溫防腐漆破損較為嚴(yán)重。

從圖3掃描電鏡照片可看出，距鼓包250 mm的部位(E3)珠光體組織形態(tài)較為完整，呈片狀，白色窄條的為滲碳體，黑色較寬的為鐵素體。圖中(E3)未見珠光體球化特征;鼓包外沿部位珠光體組織形態(tài)明顯，但易見少許碳化物分散。圖中(D3)有傾向性球化特征;鼓包上沿部位和鼓包中間部位珠光體形態(tài)較明顯，但珠光體區(qū)域中的碳化物已經(jīng)明顯分散開，并逐步向晶界擴(kuò)散，白色球片狀的為碳化物，黑色的為鐵素體基體。圖中(A3和B3)呈輕度球化特征;鼓包下沿部位珠光體組織形態(tài)已經(jīng)完全消失，晶界及鐵素體基體上的球狀碳化物已逐漸長(zhǎng)大，白色球狀的為碳化物，黑色的為鐵素體基體。圖中(C3)已經(jīng)呈完全球化特征。

圖3 防焦箱Ⅰ鼓包區(qū)域試樣光鏡和掃描電鏡照片

2 數(shù)值建模

Matlab軟件是由美國(guó)Mathworks公司開發(fā)的一套專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)的數(shù)值計(jì)算軟件。它將高性能的數(shù)值運(yùn)算和可視化集成在一起并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)(同類工程應(yīng)用的內(nèi)置函數(shù)則集合成工具箱)，可以解決數(shù)學(xué)和工程領(lǐng)域的大量問題［5－11］。

利用Matlab對(duì)鼓包的球化等級(jí)和硬度關(guān)系進(jìn)行數(shù)值建?；貧w分析，分析結(jié)果見圖4?？梢钥闯?，隨著球化等級(jí)的升高，材料的硬度是逐漸降低的。圖4是根據(jù)表2數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)回歸獲得的20G鋼的布氏硬度和顯微維氏硬度隨球化等級(jí)變化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲衳表示球化等級(jí)，y分別表示布氏硬度和顯微維氏硬度。

圖4 不同球化等級(jí)下20G鋼的硬度值

布氏硬度:

顯微硬度:

R－square是一個(gè)在0～1之間的數(shù)，其定義為:

R－square的值越接近1時(shí)表明擬合效果越好［12－14］。

3 討論與分析

3.1 高溫防腐漆的作用機(jī)理

防焦箱表面噴涂了較厚的高溫防腐漆，有了這層高溫防腐漆的存在，隔絕了防焦箱材料在高溫下與氧的反應(yīng)，使集箱表面脫碳較為困難。從集箱表面高溫防腐漆的損壞程度和鼓包區(qū)域的脫碳層金相照片分析可知，遠(yuǎn)離鼓包區(qū)域和鼓包外沿部位的高溫防腐漆幾乎沒有損壞，其金相照片也證實(shí)沒有脫碳;鼓包上沿和鼓包中間部位的高溫防腐漆破損較嚴(yán)重，其金相照片證實(shí)脫碳層程度較深;而鼓包下沿高溫防腐漆破損程度與鼓包上沿和鼓包中間部位相差不大，但其金相照片表明完全脫碳。由此分析，高溫防腐漆對(duì)脫碳的進(jìn)程有較大的影響，高溫防腐漆的存在，可以明顯的阻止脫碳的進(jìn)一步發(fā)展。

集箱面上噴涂的高溫防腐漆一般分為兩層:底漆和面漆，有了這兩層高溫防腐漆的存在，可以很好地阻隔氧與集箱表面的金屬發(fā)生氧腐蝕，這樣可以有效地阻止碳析出，保證集箱強(qiáng)度。但是，一旦高溫防腐漆發(fā)生絲毫破損，氧就會(huì)在高溫下與破損處裸露的金屬發(fā)生氧腐蝕，加速碳的析出，導(dǎo)致集箱強(qiáng)度降低，逐漸使集箱破損處的強(qiáng)度小于集箱內(nèi)壁壓強(qiáng)，引起鼓包，而鼓包的形成，也在加速集箱表面高溫防腐漆的破損程度，兩者互相作用，最終導(dǎo)致鼓包處裂紋的產(chǎn)生。但是此種情況導(dǎo)致鼓包的可能性較小，且引起鼓包的時(shí)間也較長(zhǎng)，缺少加速鼓包失效的“催化劑”。

文中的防焦箱最后鼓包失效存在要素是集箱鼓包處內(nèi)壁存在大量的結(jié)垢，該結(jié)垢就是導(dǎo)致集箱鼓包失效的“催化劑”。有這個(gè)“催化劑”的存在，將導(dǎo)致集箱金屬壁溫超溫，該溫度在集箱金屬材料的Ac1點(diǎn)附近，甚至更高，這樣使該溫度下該金屬的許用應(yīng)力大幅度下降，鼓包更易形成，而鼓包的形成，更加劇高溫防腐漆的破損和脫落，而高溫防腐漆的大面積破損又使氧腐蝕加劇，導(dǎo)致脫碳嚴(yán)重，致使金屬材料強(qiáng)度降低明顯，鼓包也繼續(xù)擴(kuò)大。

3.2 鼓包形成機(jī)理

由上述分析可知，鼓包的形成是由于內(nèi)壁壓強(qiáng)大于材料強(qiáng)度而導(dǎo)致向外凸起。從1.7節(jié)金相檢驗(yàn)中可以具體分析鼓包形成的原因。鼓包開始形成前，珠光體組織未球化，當(dāng)集箱內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重，致使金屬壁溫超溫，甚至超過20G材料的Ac1點(diǎn)，加速了珠光體球化的進(jìn)程，隨著時(shí)間的推移，珠光體球化的程度也在加深。

從圖3的C2可知，珠光體球化最終達(dá)到5級(jí)，5級(jí)球化的20G在Ac1點(diǎn)附近的屈服強(qiáng)度只有常溫下1級(jí)球化屈服強(qiáng)度的43%，屈服失效的可能性大增。從宏觀檢查可知，該防焦箱鼓包處最后有裂紋產(chǎn)生，而該裂紋的產(chǎn)生就是屈服失效的結(jié)果。而圖2中位置C上部的位置A和B的球化等級(jí)為3級(jí)，位置C下部的位置D球化等級(jí)為2級(jí)，表明鼓包附近材料的珠光體組織都有很明顯的球化特征，從傾向性球化、中度球化到嚴(yán)重球化，這也證明了鼓包區(qū)域強(qiáng)度失效，該區(qū)域材料長(zhǎng)時(shí)間過熱。

3.3 防焦箱鼓包壽命評(píng)估新方法

由以上分析可知，硬度和珠光體球化等級(jí)之間有相應(yīng)的關(guān)系，硬度是材料強(qiáng)度的表征，是材料力學(xué)性能的宏觀體現(xiàn)，而球化程度是材料劣化的微觀表征，球化程度越深，材料劣化得越嚴(yán)重，材料剩余壽命就會(huì)更少。

電站鍋爐檢驗(yàn)中如何快速方便有效地對(duì)防焦箱的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)是個(gè)難點(diǎn)，因此可以利用上述分析建立的硬度和珠光體球化之間的關(guān)系找出一種新的壽命評(píng)估方法。該新型壽命評(píng)估方法就是利用現(xiàn)場(chǎng)里氏硬度測(cè)試獲得布氏硬度數(shù)據(jù)，再根據(jù)圖3的布氏硬度與球化等級(jí)之間關(guān)系圖來查出該布氏硬度下的珠光體球化等級(jí)，并利用筆者依據(jù)GB/T 2039所做的持久斷裂試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)Larson－Miller參數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出的20G珠光體組織的球化與溫度和時(shí)間之間的關(guān)系公式來計(jì)算爐管的剩余壽命。

公式如下:

式中 Q——球化級(jí)別

T——部件金屬溫度，K

t——使用時(shí)間，h

利用筆者試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)的公式(1)來驗(yàn)證防焦箱運(yùn)行溫度、球化等級(jí)和使用時(shí)間之間的關(guān)系。如計(jì)算該防焦箱在最大飽和蒸汽壓溫度573 K下，從2001年6月到2010年1月使用70000 h(除去檢修停爐時(shí)間)的球化級(jí)別Q為0.72級(jí)，符合表2中位置E的結(jié)果;按照式(1)，可以預(yù)測(cè)該防焦箱在最大飽和蒸汽壓溫度573 K下，要達(dá)到珠光體球化5級(jí)，使用時(shí)間將以億萬(wàn)小時(shí)計(jì)，表明防焦箱在該溫度下不可能出現(xiàn)珠光體球化。利用式(1)可以計(jì)算防焦箱鼓包區(qū)域的超溫情況，得到位置A和B處金屬溫度690 K，位置C處金屬溫度792 K。按照《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，20G材料的使用溫度一般不能超過723 K，位置C處在高于使用溫度要求的情況下，珠光體球化程度5級(jí)，已經(jīng)導(dǎo)致實(shí)質(zhì)性的強(qiáng)度下降，出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展。

通過測(cè)試布氏硬度的方法，并利用Matlab建立的球化與硬度之間關(guān)系公式來計(jì)算球化級(jí)別，再利用公式(1)判斷防焦箱的使用時(shí)間和使用溫度，以此得知防焦箱使用過程中是否超溫，同時(shí)根據(jù)使用時(shí)間和球化級(jí)別預(yù)測(cè)防焦箱的剩余壽命。

上述方法可以推廣到整個(gè)電站鍋爐受壓元件剩余壽命的預(yù)估，即利用操作簡(jiǎn)便、測(cè)試可靠的里氏硬度代替現(xiàn)場(chǎng)金相的方法，找出相應(yīng)材料的硬度值與球化級(jí)別之間的關(guān)系，再利用珠光體組織的球化與溫度和時(shí)間之間的關(guān)系公式判斷受壓元件的使用時(shí)間和使用溫度，根據(jù)使用時(shí)間和球化級(jí)別預(yù)判受壓元件的剩余壽命。電站鍋爐受壓元件的其他材料如15CrMoG，12Cr1MoVG，T91等都可以建立相應(yīng)的硬度與球化級(jí)別之間的關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)防焦箱鼓包的原因是箱內(nèi)結(jié)垢，導(dǎo)致集箱壁溫過熱，加速了珠光體球化過程，集箱外壁高溫防腐漆破損加劇氧腐蝕，二者相互作用，致使集箱材料強(qiáng)度逐漸降低，鼓包逐漸形成并擴(kuò)大，直至裂紋出現(xiàn)。

(2)采用Matlab數(shù)值回歸分析，建立硬度與球化等級(jí)之間的關(guān)系式:

基于該公式，在對(duì)電站鍋爐20G材料的受壓元件檢驗(yàn)時(shí)，可以使用測(cè)試?yán)锸嫌捕鹊姆椒ù娆F(xiàn)場(chǎng)金相。

(3)建立20G珠光體組織的球化與溫度和時(shí)間之間的關(guān)系公式:

Q=0.0010826T(13.2+lgt)－10.4764

利用此公式評(píng)估電站鍋爐受壓元件的使用壽命。

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