電站鍋爐安裝使用階段致裂因素和致裂機(jī)制

滕翔宇 邵帥

【摘? 要】鍋爐是電站的重要基礎(chǔ)設(shè)備之一。近年來伴隨變電站建設(shè)規(guī)模和數(shù)量的持續(xù)增加，裂紋問題的出現(xiàn)在影響變電站使用效益的同時(shí)，也導(dǎo)致了一系列安全事故的發(fā)生，給國家和社會(huì)的整體發(fā)展造成了極為不利的影響。鑒于此，論文主要分析了鍋爐裂紋的致裂因素，并對其在安裝使用階段的致裂機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)化探討。

【關(guān)鍵詞】電站鍋爐;安裝使用;致裂因素;致裂機(jī)制

【Abstract】Boiler is one of the important basic equipment of power station. In recent years， with the continuous increase of the scale and quantity of substation construction， crack problems has not only affected the use efficiency of substation， but also led to a series of safety accidents， which has a very negative impact on the overall development of the country and society. In view of this， this paper mainly analyzes the cracking factors of boiler cracks， and systematically discusses the cracking mechanism in its installation and operation stage.

【Keywords】utility boiler; installation and operation; cracking factor; cracking mechanism

1 電站鍋爐致裂因素分析

2 電站鍋爐安裝使用階段致裂因素和致裂機(jī)制剖析

2.1 交變熱應(yīng)力致熱疲勞裂紋

經(jīng)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，在當(dāng)前電站鍋爐使用過程中，熱疲勞裂紋的產(chǎn)生率極高，而導(dǎo)致這種問題出現(xiàn)的主要原因，是由于鍋爐在加熱和冷卻循環(huán)作用下，鍋爐材料遭到了嚴(yán)重破壞，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋問題的出現(xiàn)。目前來看，熱疲勞問題產(chǎn)生的必要條件是環(huán)境溫度循環(huán)變化，具體而言主要包括如下幾方面。

2.1.1 低周熱疲勞致裂

通過電鏡掃描可知，在當(dāng)前城鄉(xiāng)一體化建設(shè)進(jìn)程不斷加快的新市場經(jīng)濟(jì)常態(tài)下，鍋爐裂紋問題的出現(xiàn)是影響電站使用效益的重要因素，而其中部分電廠鍋爐燃燒區(qū)水冷壁管有明顯的裂紋，在側(cè)管壁表面呈現(xiàn)出橫向裂紋，長此以往表現(xiàn)出熱疲勞裂紋特征的同時(shí)，鍋爐使用效益也受到了一定影響。據(jù)調(diào)查，低周熱疲勞裂紋出現(xiàn)的主要原因是因?yàn)樗浔诠芟蚧饌?cè)在運(yùn)行中受到了外界的較大溫差，進(jìn)而在內(nèi)壓作用下外壁溫度升高、管壁破裂，最終導(dǎo)致了裂紋的出現(xiàn)。

2.1.2 壁溫波動(dòng)產(chǎn)生交變熱應(yīng)力

在安裝使用過程中，鍋爐裂紋的產(chǎn)生除了低周熱疲勞致裂外，壁溫波動(dòng)產(chǎn)生交變熱應(yīng)力也是裂紋產(chǎn)生的重要原因之一，尤其在當(dāng)前新市場經(jīng)濟(jì)常態(tài)下，隨著鍋爐使用量的持續(xù)增加，裂紋問題的發(fā)生因素更是存在顯著差異，與低周熱疲勞致裂不同的是，壁溫波動(dòng)產(chǎn)生交變熱應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋在表現(xiàn)方面，主要表現(xiàn)為在火側(cè)內(nèi)壁有大量垂直于管軸線的橫向裂紋，裂紋產(chǎn)生的主要原因是火側(cè)內(nèi)壁存在較大的交變軸向拉應(yīng)力。

目前，國內(nèi)水冷壁熱疲勞裂紋的產(chǎn)生多出現(xiàn)在直流鍋爐，而在控制循環(huán)鍋爐中這種裂紋問題的發(fā)生率極低，經(jīng)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，不穩(wěn)定的管內(nèi)傳熱惡化造成的壁溫波動(dòng)是目前導(dǎo)致水冷卻壁橫向裂紋產(chǎn)生的根本原因。在電站鍋爐使用過程中，由于管內(nèi)壁局部會(huì)產(chǎn)生汽泡，當(dāng)大量汽泡附著在管壁上后，水與管壁的接觸就被隔絕，長此以往管壁溫度在直線上升的同時(shí)，企業(yè)的整體發(fā)展也勢必受到一定影響。與此同時(shí)，再加上汽泡的不穩(wěn)定性，管壁的溫度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，長期的溫度波動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致橫向裂紋的出現(xiàn)。

2.1.3 大溫差熱應(yīng)力

通過對鍋爐裂紋進(jìn)行系統(tǒng)化剖析可知，目前常見的裂紋除了橫向裂紋外，周向裂紋的出現(xiàn)率也極高，而導(dǎo)致這種裂紋出現(xiàn)的主要原因，是由于大溫差熱應(yīng)力的存在。在電熱鍋爐使用過程中，由于火側(cè)壁溫度顯著高于爐膛吹灰蒸汽溫度，較大溫差問題的存在導(dǎo)致溫度較低的吹灰蒸汽進(jìn)入爐管，進(jìn)而導(dǎo)致較大熱應(yīng)力問題的產(chǎn)生，長此以往導(dǎo)致熱疲勞裂紋的出現(xiàn)。

2.2 應(yīng)力腐蝕致裂

2.2.1 應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞

根據(jù)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，在當(dāng)前電站鍋爐使用過程中，腐蝕致裂也是常見的裂紋產(chǎn)生原因，而就目前來看，常見的腐蝕問題主要有應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞共同作用。通過對鍋爐進(jìn)行全面檢查可知，部分鍋爐的裂紋產(chǎn)生區(qū)域主要在高應(yīng)力區(qū)域，當(dāng)鍋爐外壁存在一定的殘存應(yīng)力后，縱向殘余應(yīng)力較大，導(dǎo)致側(cè)壁受到了強(qiáng)烈沖擊，長此以往導(dǎo)致了裂紋的出現(xiàn)，進(jìn)而對企業(yè)整體發(fā)展造成極為不利的影響。目前來看，環(huán)焊縫處的裂紋主要是橫向裂紋，而這種裂紋出現(xiàn)的原因是多種多樣的，一方面是因?yàn)樵谑褂眠^程中除氧塔內(nèi)壁下部短節(jié)較短，處于熱影響區(qū)，裂紋垂直環(huán)焊縫，除氧器裂紋和除氧塔內(nèi)壁裂紋的不一致導(dǎo)致了應(yīng)力問題的產(chǎn)生，再加上除氧水箱內(nèi)部有腐蝕作用，在兩者的共同作用下導(dǎo)致鍋爐出現(xiàn)裂紋。

2.2.2 應(yīng)力腐蝕和材料老化

隨著近年來城鄉(xiāng)一體化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，電熱鍋爐使用量的持續(xù)增加，雖然推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，但與此同時(shí)裂紋問題的存在在影響產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全埋下了巨大隱患。通過對爆管斷口的宏觀和微觀檢查可了解到，管破裂的主要原因是應(yīng)力腐蝕和材料老化的雙重作用。在多元化市場競爭環(huán)境下，企業(yè)的規(guī)模化發(fā)展在推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的同時(shí)，市場競爭也愈演愈烈，部分企業(yè)為降低企業(yè)運(yùn)營成本，未能及時(shí)更換鍋爐的構(gòu)成元件，部分原件在長期使用中受到不同應(yīng)力的作用，表面出現(xiàn)了破裂，而裸露在外的金屬又在腐蝕介質(zhì)（蒸汽、水）的條件作用下因電化學(xué)作用而出現(xiàn)凹坑問題，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋問題的形成。除此之外，在管道長期使用后，強(qiáng)度會(huì)下降、脆性會(huì)增加，而金相組織不可避免地會(huì)出現(xiàn)弱化問題，進(jìn)而導(dǎo)致管道脆裂。

2.2.3 敏化材料致晶間應(yīng)力腐蝕

在電站鍋爐使用過程中，為了確保敏化材料焊后性能，通常而言需對其進(jìn)行高溫（700℃左右）處理，長此以往在這種高溫作用下導(dǎo)致敏化材料鋼敏化，最終在降低低晶界附近區(qū)域耐腐蝕性的同時(shí)，增加了裂紋問題的發(fā)生率。與此同時(shí)，敏化材料致晶間應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的裂紋問題，其發(fā)生率相對較高。因此，對于企業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)而言，是極為不利的。

2.3 鍋爐頻繁啟停或負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)致裂

2.3.1 熱冷變換過快

在對鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢查過程中發(fā)現(xiàn)，部分鍋爐右側(cè)面減溫器內(nèi)壁和過熱器管接頭處存在多處放射狀裂紋，而經(jīng)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，導(dǎo)致上述裂紋出現(xiàn)的主要原因在于鍋爐頻繁啟停或負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。具體而言，在鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于啟停的頻率過高亦或是運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷過大，長此以往導(dǎo)致受壓元件在短時(shí)間內(nèi)會(huì)承受較大的壓力，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力加大，最終引發(fā)裂紋問題，對企業(yè)整體發(fā)展造成極為不利的影響。由于減溫水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)較為滯后，在使用過程中溫水調(diào)節(jié)和主上水調(diào)節(jié)之間相互干擾，造成減溫水調(diào)節(jié)無法及時(shí)對鍋爐蒸汽溫度進(jìn)行調(diào)控，由此在導(dǎo)致側(cè)面水滴凝結(jié)問題產(chǎn)生的同時(shí)，受熱面也會(huì)出現(xiàn)驟然收縮的問題，進(jìn)而在影響鍋爐穩(wěn)定性運(yùn)行的同時(shí)，企業(yè)的整體發(fā)展也受到了一定影響。

2.3.2 啟停頻繁導(dǎo)致致晶間應(yīng)力腐蝕開裂

對鍋爐啟停進(jìn)行深入剖析可知，當(dāng)某鍋爐的啟停次數(shù)過高時(shí)，水分容易凝結(jié)、濃縮，此時(shí)再加之停爐期間基層產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)和相關(guān)部門工作人員未采取相應(yīng)的保養(yǎng)措施，長此以往導(dǎo)致鍋爐在高濃度Cl-和SO42-下產(chǎn)生局部腐蝕問題，最終導(dǎo)致裂紋問題的產(chǎn)生。經(jīng)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，在電熱鍋爐使用過程中，Cl-會(huì)破壞不銹鋼表面膜，導(dǎo)致點(diǎn)蝕成為裂源，而SO42-又會(huì)加速敏化晶界速度，導(dǎo)致沿晶應(yīng)力的出現(xiàn)，在長期作用下導(dǎo)致內(nèi)表面出現(xiàn)環(huán)向裂紋，對企業(yè)整體發(fā)展造成極為不利的影響。

3 結(jié)語

總而言之，在當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，鍋爐作為電站的重要基礎(chǔ)設(shè)備，裂紋問題的存在在影響電站整體作業(yè)質(zhì)量和效率的同時(shí)，對企業(yè)可持續(xù)發(fā)展也造成了極為不利的影響，而通過對192例鍋爐裂紋致裂因素和機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)化剖析可知，在安裝和使用過程中導(dǎo)致裂紋問題出現(xiàn)的原因是多種多樣的。因此，為了推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，做好電熱鍋爐的保養(yǎng)工作是十分必要的。

【參考文獻(xiàn)】

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