以大數據分析為載體的鍋爐水冷壁失效分析

李曼

（上海電子信息職業技術學院通信與信息工程學院，上海201411）

在日常生活中，鍋爐應用廣泛，而鍋爐長期處于高壓、高溫狀態，采用有效的檢測手段對于鍋爐安全運轉有重要的作用。本文以電廠鍋爐為例，電廠的不間斷供電主要取決于其設備和部件的持續運行，傳統的燃煤電廠，鍋爐管，過熱器，熱交換器，渦輪機等的正常運行對于維持電力供應是十分重要的，即使單個組件故障也可能導致整個發電系統停機。經過相關研究報告，鍋爐管的失效是發電廠停工的主要原因之一[1]。

鍋爐部件主要由鋼、鑄鐵、不銹鋼和高溫合金制成。鍋爐管的失效是發電廠中非常普遍的現象，對鍋爐管故障原因的調查對于防止未來的管故障非常重要，這是因為識別正確的故障機制通常有助于確保設備的完整性。常見的鍋爐管故障原因有點蝕、應力腐蝕開裂、應力破裂、蠕變、腐蝕和熱疲勞等[2]。本文所研究的鍋爐由20 G鋼制成，鍋爐管操作壓力和操作溫度分別設置為10.8 MPa 和320 ℃，并且該管中的工作介質是脫氣水。經過8 年的使用，鍋爐管爆裂一個小洞，管的開口爆裂的尺寸為30 mm 長和17 mm 寬。通過對失效管的詳細調查，本研究旨在利用多實驗分析手段進行數據采集，利用大數據分析的手段找出失效機理，并提出相應的預防措施[3-5]。

1 實驗設計

對失效的管子進行失效分析，特別是管子的破裂部分，為了檢查管的內壁表面形態，從失效管的不同區域制備樣品，并通過不同的手段獲取目標的關鍵數據：

（1）通過使用標準金相技術制備金相試樣，并用4%硝酸溶液蝕刻；

（2）通過光學顯微鏡和配備有能量色散X 射線（EDX）分析設備的掃描電子顯微鏡（SEM）分析微結構；

（3）通過725ES 安捷倫光譜儀分析故障管的化學組成[6-7]。

2 實驗結果及分析

2.1 視力檢查

在檢查期間，如圖1所示，在管的朝向火的一側發現了一個孔，翹起的金屬在孔周圍。近距離目視檢查發現，面向火的一側的壁厚小于后側的壁厚（如圖2 所示）。這表明該管具有顯著的局部壁變薄并且最終突然失效，基于該發現，對失效管進行壁厚測量。在面向火的一側，最薄區域的厚度約為1.90 mm，遠小于背面的壁厚（6.08 mm）。

圖1 失效管的一般視圖和斷裂的放大視圖

圖2 失效管的橫截面

此外，在失效管的內表面和外表面上觀察到氧化皮，并且在管的破裂部分沒有發現明顯的凸起。為了分析管子的失效原因，對破裂部分和遠離破裂區域的原始管子進行了取樣和分析。結果顯示失效管的朝向火的一側的腐蝕比背面更嚴重。

2.2 化學分析

所研究的鍋爐管由20G 鋼制成，且失效管的化學成分經檢測如表1所示?？梢钥闯觯艿幕|材料的組成符合GB 5310—2008的相關標準的要求[8]。

表1 失效管的化學成分%

2.3 微觀結構分析

使用丙酮溶液用超聲波洗滌器清潔失效管樣品，然后施加溶劑軟化的乙酸鹽條帶以除去樣品表面上的雜質。通過掃描電子顯微鏡分析樣品的表面形態，如圖3所示?？梢钥闯?，面向火的一側的內壁表面，特別是破裂部分的薄片，具有大的內壁表面、腐蝕坑的數量；背面的內壁表面相對平坦，凹坑少得多。此外，在面向火的一側的內壁表面上觀察到明顯的鱗片，其中一些已經破裂并從污垢層上剝落。

圖3 試驗樣品地內壁的表面形態

該結果與宏觀觀察結果一致，如表2 所示為EDS結果，利用多實驗分析手段表明氧化皮層含有大量的氧，鐵和少量的鈣，硅等，檢測結果沒有發現氯和其他異常元素，這表明鍋爐管有嚴重的氧氣腐蝕。并且面向火的一側的鐵氧比小于背面的鐵氧比，特別是在比率達到最小的裂縫部分，這表明在面層側的管的氧化比在背面，連續發生氧化可能導致壁厚變薄。

表2 失效管內壁的EDS結果mg

結果表明在基材中，碳化物圓化或晶界空隙產生的微觀結構退化/異常不明顯。因此，可以排除蠕變損壞的可能性。管子朝向火的一側的樣品中的珠光體和爆裂孔周圍的切片顯示出一定程度的球化，后者更嚴重。在使用過程中，原始的層狀珠光體由于表面能的降低且滲碳體向球形發展而形成球形珠光體。相關研究表明，盡管珠光體球化不同，但當試驗溫度從室溫升至475 ℃時，20G 的拉伸強度降低了6.5%。因此，當溫度低于475 ℃時，珠光體球化對20G 的機械性能幾乎沒有影響。

本文通過多實驗手段進行數據采集完成后，通過大數據分析的多維建模的手段對數據進行分析，即對視力檢查、化學分析、微觀結構分析等多種數據源進行數據清洗，并按照鍋爐管故障發生的常見點按照相互間的關系構建分析模型。

3 結 論

本文主要以鍋爐水冷壁在火面一側容易爆裂為分析研究對象。利用多實驗分析手段，通過觀測化學分析以及微結構分析等技術獲取不同試驗樣品地測試數據，結果表明鍋爐管由鐵素體和珠光體組成，而珠光體僅顯示少量球化，這對材料的機械性能幾乎沒有影響。通過觀察管的朝向火的側面經歷了顯著的壁變薄，并且管內壁的腐蝕產物主要是氧化鐵。面向火的一側的鐵氧比小于背面的鐵氧比，裂縫部分的鐵氧比最小，表明火面上的管氧化比背面更嚴重。