12Cr1MoVG水冷落渣管鼓包失效分析

孫堅(jiān) 單小云 龔俊 張洪 金建榮 劉成威 陸海峰 陳國星

摘要：通過對(duì)落渣管進(jìn)行金相組織、硬度、力學(xué)性能及掃描組織成分測(cè)試，分析鼓包原因。結(jié)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(qū)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(qū)域高;鼓包處向火側(cè)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(nèi)部循環(huán)不暢，熱量不能及時(shí)交換，超過最高使用溫度，發(fā)生相變，導(dǎo)致材料部分區(qū)域強(qiáng)度下降，發(fā)生塑性變形。

關(guān)鍵詞：落渣管;鼓包;飛灰;塑性變形

引言

循環(huán)流化床鍋爐因?yàn)槠淙紵矢?、污染排放少、燃料適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)在我國迅速發(fā)展，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展建設(shè)，我國的循環(huán)流化床總臺(tái)數(shù)和鍋爐蒸發(fā)量在世界上居于前列[1-3]。目前，國內(nèi)外對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)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(duì)于落渣管的分析比較少見。落渣管作為鍋爐內(nèi)極小部件，但是經(jīng)常會(huì)發(fā)生因設(shè)計(jì)不當(dāng)或服役環(huán)境問題，導(dǎo)致落渣管故障引發(fā)鍋爐非停，影響鍋爐連續(xù)運(yùn)行率，帶來安全隱患。

某火電廠CFB鍋爐額定參數(shù)9.8MPa，540℃。在累計(jì)運(yùn)行8萬小時(shí)后，水冷落渣管發(fā)生鼓包爆管事故。通常情況下，循環(huán)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(xiàn)在不易發(fā)生失效的部位，引發(fā)爆管導(dǎo)致鍋爐非停，影響電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文對(duì)鼓包的水冷落渣管進(jìn)行失效分析，以期查明鼓包原因。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣材料

管道內(nèi)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(yàn)從中進(jìn)行取樣測(cè)試分析，鼓包的落渣管材質(zhì)是12Cr1MoVG，管道規(guī)格是φ273×20mm。

1.2 ?測(cè)試方法

對(duì)取樣試樣進(jìn)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(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷選擇0.3kg，保載15s;采用SANS萬能試樣拉伸機(jī)對(duì)試棒進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速率為0.5mm/min;采用SEM、EDS手段對(duì)試樣的形貌和成分進(jìn)行分析，探究落渣鼓包原因。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相組織

為分析鼓包處內(nèi)部組織的變化，在鼓包處向火側(cè)、背火側(cè)分別取樣，進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖1所示。從圖1（a）可以看出，管材向火側(cè)處的金相組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體，晶粒尺寸較細(xì);管材背火側(cè)，即靠近冷卻水一側(cè)的金相組織也是鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體，但與向火側(cè)相比鐵素體的晶粒尺寸有所增大，見圖1（b）。因?yàn)榇颂幍乃浮⒎e渣導(dǎo)致水流受阻，局部溫度增加，導(dǎo)致此處的

為進(jìn)一步分析落渣管金相組織變化，在鼓包處上方取樣進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)，其金相組織結(jié)果見圖2。由圖可知，向火側(cè)的金相組織為鐵素體+珠光體;在由向火側(cè)向背火側(cè)移動(dòng)時(shí)，試樣內(nèi)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(dǎo)致材料性能降低。

2.2 硬度測(cè)試

對(duì)落渣管鼓包處截面進(jìn)行硬度分析，從向火側(cè)到背火側(cè)，平均選取5個(gè)點(diǎn)，觀察硬度變化趨勢(shì)，結(jié)果見圖3。由圖3可知，5個(gè)點(diǎn)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?yàn)楣陌庁愂象w組織數(shù)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(jié)果吻合。在鼓包上方試樣上由表及里選取9個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度分析，試樣背火側(cè)的平均顯微維氏硬度為157 HV0.3，不斷靠近向火側(cè)時(shí)，硬度逐漸增加，在向火側(cè)的顯微硬度值為178 HV0.3，這是因?yàn)楦鶕?jù)金相組織分析，背火側(cè)發(fā)生脫碳現(xiàn)象，導(dǎo)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(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表1。由結(jié)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(biāo)準(zhǔn)，說明此時(shí)落渣管內(nèi)部其他部分力學(xué)性能并未因?yàn)楣陌鼘?dǎo)致下降，但是此時(shí)落渣管的斷后伸長率和收縮率都大于50%，說明此時(shí)管道塑性較好，極易發(fā)生塑性變形。

2.4 形貌及成分測(cè)試

為更好分析落渣管鼓包的原因，對(duì)其截面進(jìn)行掃描形貌和成分分析。鼓包處截面背火側(cè)凹凸不平，存在縫隙與孔洞，表面形成較多凝結(jié)物;根據(jù)的能譜分析，可以看出背火側(cè)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(shí)背火側(cè)表面存在大量水垢、硅酸鹽等。鼓包處截面向火側(cè)表面存在一層腐蝕氧化層，厚度為40μm，并且部分?jǐn)U散進(jìn)入試樣內(nèi)部，形成氧化腐蝕產(chǎn)物;成分分析結(jié)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(chǎn)生的飛灰落渣組成。

3 結(jié)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(fā)生變化，并且晶粒尺寸較為粗大，導(dǎo)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(qū)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(duì)鼓包位置上方進(jìn)行取樣，檢測(cè)顯示力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn);

（3）落渣管鼓包原因是鍋爐長期運(yùn)行，在落渣管內(nèi)側(cè)底部積累/附著較多水垢/積渣，發(fā)生“循環(huán)水流不均勻”現(xiàn)象，產(chǎn)生熱量傳導(dǎo)不均勻，局部溫度逐漸升高，導(dǎo)致落渣管局部超時(shí)高溫服役，材料力學(xué)性能下降，發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生鼓包失效的現(xiàn)象。

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