電站鍋爐過熱器和再熱器的失效模式及機理

馬加朋+蓋紅德+趙昆+戴家輝

摘 要：本文介紹了鍋爐過熱器和再熱器幾種常見的失效模式，包括過熱、高溫腐蝕、應力腐蝕、氧化皮脫落、疲勞開裂、氧腐蝕等，同時簡述了其形貌和機理，希望對于鍋爐過熱器和再熱器的預防失效和失效后處理提供參考。

關鍵詞：電站鍋爐；過熱器；再熱器失效模式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.005

1 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，電力需求日益增加，高壓、超臨界和超超臨界的大型電站鍋爐大幅增多。但隨著鍋爐運行時間增加，受熱面爆管問題日漸增多。電站鍋爐中過熱器和再熱器系統(tǒng)是電站鍋爐中一個非常復雜的部分，管內是一些溫度非常高的水蒸氣，而管外是高溫煙氣，一般情況下，冷卻條件都比較差。對于亞臨界、超臨界鍋爐中的過熱系統(tǒng)中用的材質眾多，結構復雜，很容易有多種損傷失效，其發(fā)生爆管的幾率比較大[1-5]。為預防過熱器和再熱器爆管，確保機組穩(wěn)定運行，相關人員應該掌握過熱器和再熱器經常發(fā)生的失效模式。根據相關文獻，本文對過熱器和再熱器常見的失效模式進行了概述，展示了工作中遇到的各種失效圖片，并對其損傷機理進行了闡述。

2 過熱器和再熱器失效模式

通常情況下，過熱器與再熱器的工作環(huán)境基本一致，并且損傷形式方面也很類似，一般有以下幾種：過熱、高溫腐蝕、應力腐蝕、氧化皮脫落、疲勞開裂和氧腐蝕等。

2.1 過熱

2.1.1 短時過熱

在實際運行期間，因為存在冷卻不完善等一些問題，很容易導致系統(tǒng)短時間內溫度迅速升高，甚至達到所用材質的臨界溫度導致的損傷。

短時過熱爆口具有韌性爆口形態(tài)，爆口處減薄明顯，邊緣鋒利，表面無明顯的氧化皮，附近一般無縱向裂紋（見圖1）。距爆口處遠的金相組織正常，但是那些距離爆口處比較近則會由于溫度的高低不同，使金相組織存在一定的差異。如過熱溫度比較高，達到材料的Ac1～Ac3溫度區(qū)間，則靠近爆口處會出現(xiàn)馬氏體、貝氏體等過熱相急冷生成的組織；而過熱溫度比較低時，靠近爆口處一般沒有淬火組織。

短時過熱通常是由于過熱器等在正常運行過程中，受到了異物阻塞，這樣就會造成管內蒸汽流量出現(xiàn)大幅減少的情況，最終可能會引起爆管。對于集箱中用堵板進行隔離的過熱器系統(tǒng)，假如在運行期間，出現(xiàn)了堵板脫落等情況，將會造成過熱器管屏內蒸汽流量減少，最終也會引起過熱爆管。

2.1.2 長時過熱

長時過熱其實就是指管子長時間內壁溫超過設計壁溫，導致材質嚴重劣化，從而造成材料的高溫持久性能下降，其超溫溫度較低，通常不會超過Ac1溫度[3，4]。

長時過熱爆口形貌見圖2，其爆口處并沒有出現(xiàn)明顯的減薄，并且它的開口相對比較小，其表面能夠觀察到具有氧化皮，一般情況下，爆口附近往往會存在一些縱向裂紋。爆口的主裂紋兩側有大量的蠕變裂紋和蠕變孔洞，蠕變裂紋沿晶界開裂。

有些時候，爆口的形式兼有短時過熱和長時過熱的特征，并不能完全區(qū)分。

2.2 高溫腐蝕

過熱器和再熱器的高溫腐蝕主要是硫酸鹽型高溫腐蝕。在運行過程中，由于煤灰中堿金屬含量過高，使迎風面管壁收到長期的高溫腐蝕，導致材質裂化和腐蝕減薄[1]。

發(fā)生高溫腐蝕的管子表面一般存在大量結焦，如圖3，去除表面結焦后可以看到，管子外壁存在較厚的棕紅色氧化皮，且管子表面存在不規(guī)則的溝槽，存在明顯局部減薄（見圖4）。

當煤質中堿金屬（K、Na）含量較高時，灰渣中的鈉鹽和鉀鹽在高溫下分解并生成硫酸鹽、焦硫酸鹽，最終形成復合硫酸鹽，因其熔點較低，復合硫酸鹽在管子表面呈熔融態(tài)，捕捉飛灰，導致結焦或結渣，并不斷腐蝕管子外壁的氧化皮，形成惡性循環(huán)。

2.3 應力腐蝕

應力腐蝕是指受熱面在實際工作期間產生較高的應力，混合著管子彎頭、焊縫、安裝工藝等原因存在殘余應力，這些因素都會造成存在非常高的復合應力，在煤灰中氯化物、硫酸鹽、氫氧化物等雜質形成的腐蝕環(huán)境聯(lián)合作用下造成的損傷[6]。

應力腐蝕大多是在特定的材料和介質組合下出現(xiàn)的，當受到了這種腐蝕類型的破壞，通常會出現(xiàn)一兩個主裂紋，并且主裂紋上還會存在著一些小裂紋。裂紋走向宏觀上與拉應力基本垂直，因為只有拉應力才能引起應力腐蝕，裂紋一般起源于部件表面。常見的典型應力腐蝕是奧氏體不銹鋼在氯離子中的腐蝕，如圖5所示，其爆口處管子無脹粗；內外壁沒有氧化皮或氧化皮減薄；管內壁有未裂透的小裂紋，見圖6；管子內表面分布著點蝕坑，少量點蝕坑細小而深，成為裂紋源。

在實際加工期間，最容易出現(xiàn)應力腐蝕的部位是那些形狀變化非常大的彎頭處（特別是在加工之后沒有對其進行固溶處理的奧氏體不銹鋼，見圖7），由于這一部位在加工過程中會出現(xiàn)一定的形變，而且這個區(qū)域的運行溫度通常處于奧氏體不銹鋼的敏化溫度范圍內，易導致奧氏體不銹鋼的晶間貧鉻，在腐蝕介質的存在的情況下，很容易出現(xiàn)應力腐蝕，最終會造成管子開裂。

2.4 氧化皮脫落

亞臨界或超臨界鍋爐過熱器和再熱器的奧氏體不銹鋼管內部氧化皮經常脫落，給鍋爐設計和使用單位的造成了長期困擾。

鍋爐在實際運行期間，金屬氧化皮一般都會牢牢地附著在管壁上，然而由于鍋爐運行情況非常的復雜，例如頻繁啟停等，很容易使附著在金屬內壁的氧化膜產生開裂，當裂紋達到發(fā)生剝落的臨界條件時，氧化皮會慢慢地剝落[4，7]。這些剝落的氧化皮假如未能及時地被蒸汽帶走，那么將會逐漸的堆積，最終會造成管子蒸汽流通不暢，導致管子由于溫度過高而爆炸。奧氏體不銹鋼管內氧化皮堆積見圖8。金屬氧化皮的脫落主要與金屬材料性質和溫度變化的幅度有關。金屬材料和氧化皮的線膨脹系數(shù)相差越大、降溫速度越快，產生的應力越大，氧化皮開裂脫落的可能性越大，所以奧氏體鋼在鍋爐啟停等變工況下更容易出現(xiàn)氧化皮剝離現(xiàn)象[8]。endprint