淺析電廠鍋爐受熱面主要失效型式

張雪然+蔣同軍+蔣同香++馬廣強(qiáng)

摘 要：本文總結(jié)歸納了電廠鍋爐受熱面的主要失效型式，分析了各失效型式產(chǎn)生原因。在今后的受熱面失效工作中能夠快捷準(zhǔn)確的判斷其失效類(lèi)型，為電站的安全運(yùn)行總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并提供借鑒。

關(guān)鍵詞：電廠鍋爐；失效型式；失效原因

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.166

失效的類(lèi)型比較復(fù)雜，分類(lèi)很多。但針對(duì)電站鍋爐工作環(huán)境的特殊性，大致存在以下幾種類(lèi)型：過(guò)量變形失效、疲勞失效、腐蝕失效、蠕變失效、磨損失效、脆性斷裂失效、塑性斷裂失效等。

1 鍋爐受熱面主要失效機(jī)理

在長(zhǎng)期高溫高壓和介質(zhì)的作用下，由于幾種失效機(jī)制的同時(shí)作用，往往各個(gè)部件都存在幾種不同的損傷形式。美國(guó)EPRI（電力研究院）提供了涉及鍋爐各部件失效型式和損傷機(jī)理的表格[1]，對(duì)全面了解鍋爐的失效很有參考價(jià)值，如下表所示。

2 超臨界機(jī)組的材料主要失效型式

（1）過(guò)量變形失效。部件承受的載荷增大到一定程度，變形量超過(guò)設(shè)計(jì)的極限值，部件原有的功能被破壞從而失效。過(guò)量變形失效又可分為以下兩類(lèi)：過(guò)量塑性變形失效和過(guò)量彈性變形失效；（2）疲勞失效。在工作過(guò)程中部件承受交變載荷或循環(huán)載荷的作用，會(huì)使部件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這種情況下產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為交變應(yīng)力。疲勞斷裂就是指在這種交變應(yīng)力的作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。部件在疲勞載荷的作用下，其應(yīng)力水平低于材料的抗拉強(qiáng)度，有時(shí)也低于材料的屈服強(qiáng)度。疲勞斷裂也有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，即裂紋的萌生、裂紋的擴(kuò)展和最終的瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。一個(gè)典型的斷口都是由這三個(gè)部分組成的，其具有典型的“貝殼”或者“海灘”狀條紋；（3）腐蝕失效。金屬材料因周?chē)h(huán)境介質(zhì)的化學(xué)與電化學(xué)作用而產(chǎn)生的損傷叫腐蝕失效。部件的腐蝕損壞表現(xiàn)為失重、材料表面完好狀態(tài)的破壞和生產(chǎn)裂紋。常見(jiàn)腐蝕失效有以下幾種主要類(lèi)型：高溫氧化；低熔點(diǎn)氧化物的腐蝕（高溫腐蝕）；煙氣腐蝕；應(yīng)力腐蝕；點(diǎn)蝕或孔蝕；垢下腐蝕；氫腐蝕；（4）蠕變失效。金屬材料在恒應(yīng)力長(zhǎng)期作用下而發(fā)生的塑性變形現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變。在任何溫度范圍內(nèi)蠕變都可以發(fā)生，只不過(guò)溫度高變形速度大而已。過(guò)熱失效是材料在一定時(shí)間內(nèi)的溫度和應(yīng)力作用下而出現(xiàn)的失效形式，它是蠕變失效在電站鍋爐高溫部件的具體表現(xiàn)形式；（5）磨損失效。決定磨損方式的因素：零件處于的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，其表面的幾何形貌和轉(zhuǎn)配質(zhì)量，零件的使用工況及其處于的環(huán)境狀態(tài)，零件材質(zhì)的狀態(tài)，摩擦副材料的匹配情況，以及材料在磨損過(guò)程中的變化等。磨損分成五類(lèi)：粘著磨損、磨粒磨損、沖蝕磨損、腐蝕磨損和表面疲勞磨損[2]；（6）脆性斷裂失效。材料的韌性急劇下降，而其他力學(xué)性能變化不大的現(xiàn)象稱(chēng)為材料的脆性。幾乎不存在塑性變形，斷裂過(guò)程極快而吸收能量極低的突發(fā)性破壞現(xiàn)象稱(chēng)為部件的脆性斷裂。只有處于脆性狀態(tài)的零件才能發(fā)生脆性損壞。產(chǎn)生脆性斷裂的加載條件是：靜載或沖擊；（7）塑性斷裂失效。當(dāng)部件所承受的應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生塑性變形。如果應(yīng)力進(jìn)一步增大，就有可能發(fā)生斷裂，這種失效叫做塑性斷裂失效。一般發(fā)生于靜力過(guò)載或大能量沖擊的惡劣工況情況下[2]。

3 失效案例分析

（1）熱疲勞失效案例。海南某電廠6號(hào)爐高溫再熱器集汽聯(lián)箱大修時(shí)發(fā)現(xiàn)疏水管管座接頭角焊縫開(kāi)裂泄漏，聯(lián)箱管孔周?chē)嬖诙鄺l放射狀宏觀裂紋，其中三條已穿透聯(lián)箱壁厚，此外，在角焊縫熔合線(xiàn)處還有一條斷續(xù)的周向裂紋。取樣檢查發(fā)現(xiàn)管孔處聯(lián)箱內(nèi)壁有大面積的泥狀龜裂。6號(hào)爐型號(hào)為SG420/140-M418，再熱蒸汽壓力和溫度為2.26MPa和540℃。該爐累積運(yùn)行22000小時(shí)，啟停75次。該聯(lián)箱開(kāi)裂屬于典型的腐蝕性熱疲勞；（2）交變應(yīng)力的腐蝕疲勞失效案例。山西某電廠130t/h的П-130型鍋爐，過(guò)熱器出口溫度為420℃，壓力為3.33MPa。1956年投運(yùn)，至1987年底小修時(shí)發(fā)現(xiàn)主蒸汽管彎頭外弧側(cè)泄漏，有一條80mm長(zhǎng)的環(huán)向裂紋。至此該機(jī)組累計(jì)運(yùn)行199000h，啟停2456次。主蒸汽管道的材料為20A，規(guī)格為φ325×10mm。失效分析表明：因停爐保護(hù)不當(dāng)，在彎頭處由凝結(jié)水產(chǎn)生腐蝕；支吊架失效應(yīng)力增大；啟停爐頻繁產(chǎn)生的交變應(yīng)力導(dǎo)致的腐蝕疲勞失效[2]；（3）磨損失效案例。某熱電廠220T/H循環(huán)流化床鍋，由于其工作機(jī)理所致，燃用0～8mm 煤粒，在燃燒過(guò)程中，沖刷、磨損鍋受熱面，造成受熱面泄漏。從發(fā)生磨損爆管部位來(lái)看，主要表現(xiàn)在水冷壁、水冷屏、過(guò)熱器、省煤器吊掛管、澆注料脫落后管子外露處等；（4）焊縫材料強(qiáng)度不足引起的失效案例。2004年9月12日，山西某電廠6號(hào)機(jī)主蒸汽管道（標(biāo)高4.5m處）流量孔板焊縫在運(yùn)行中沿環(huán)向爆裂分為兩半。斷裂面呈灰藍(lán)色，斷面粗糙起伏，斷口裂紋弧長(zhǎng)168mm。主蒸汽管道規(guī)格為Ф273×28mm，材料為10CrMo910。流量孔板環(huán)室的內(nèi)、外直徑為Ф334mm和401mm，材料為12Cr1MoV。Ⅱ位置焊條為T(mén)RCr1MoV-X。6號(hào)爐于1999年3月投運(yùn)，主蒸汽管道運(yùn)行溫度532℃，壓力8.9MPa。流量孔板焊縫爆裂的主要原因是焊縫材料錯(cuò)用為碳鋼，高溫強(qiáng)度明顯不足。

4 結(jié)論

近幾年來(lái)我國(guó)投產(chǎn)的一些電站，鍋爐各受熱面長(zhǎng)期在高溫、高壓的環(huán)境下運(yùn)行，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)其材料會(huì)出現(xiàn)材質(zhì)劣化，造成部件失效。本文闡述了鍋爐受熱面主要失效形式及失效特點(diǎn)，并列舉了常見(jiàn)失效型式案例，希望能夠?yàn)殡姀S機(jī)組的安全運(yùn)行提供一些借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]張磊，陳媛等.超（超）臨界機(jī)組焊接技術(shù)與工藝評(píng)定[M].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

[2]張雪然，張磊.超臨界機(jī)組電廠鍋爐高溫受熱面失效分析[J].華東電力，2013，41（06）：1390-1392endprint