分離器中心筒脫落原因分析

朱 斌，張全新，王春奕

(重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084)

某電廠用于生物質(zhì)焚燒發(fā)電的鍋爐煙氣分離器中心筒，在服役僅兩個(gè)月后發(fā)生整體脫落，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組被迫停機(jī)，造成了較大經(jīng)濟(jì)效益損失。中心筒的受損破壞不僅影響到鍋爐正常運(yùn)行和電廠發(fā)電，同時(shí)還存在很大的設(shè)備安全隱患，導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果。為查明煙氣分離器中心筒脫落的原因，避免再次出現(xiàn)此類問題，趁電廠檢修之機(jī)，作者對電廠鍋爐運(yùn)行情況及中心筒的服役工況環(huán)境進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，從現(xiàn)場取回部分樣品，對樣品進(jìn)行檢測分析，結(jié)合勘查了解的實(shí)際情況，查找中心筒破壞脫落的真正原因。

1 現(xiàn)場勘查情況

經(jīng)過現(xiàn)場勘查了解，電廠現(xiàn)使用的煙氣分離器中心筒是吊掛式中心筒，筒體上部設(shè)計(jì)有兩個(gè)圓環(huán)，并通過筋板連接以提高中心筒的整體強(qiáng)度，筋板上部有16個(gè)吊鉤，吊鉤通過埋在耐火澆注料內(nèi)的16個(gè)鋼掛進(jìn)行支撐。中心筒安裝在分離器內(nèi)有一定深度的位置，與分離器的圓筒體形成環(huán)形通道，進(jìn)入分離器的高溫?zé)煔饫@著中心筒旋轉(zhuǎn)，在離心力和重力的作用下, 大部分煙塵被分離，顆粒較細(xì)的煙氣向上成為旋流，然后由中心筒排出進(jìn)入尾部煙道，而大顆粒物料被分離下來返回爐膛，重新參與燃燒，以增加爐膛內(nèi)傳熱效果。中心筒在分離煙氣的過程中，長期處于高溫環(huán)境，承受高溫作用，該中心筒的使用溫度約為900 ℃。在停機(jī)檢修過程中發(fā)現(xiàn)，分離器中心筒已完全脫落，中心筒吊鉤全部斷裂，同時(shí)，跌落的中心筒筋板根部發(fā)現(xiàn)縱向開裂，圓環(huán)根部發(fā)現(xiàn)橫向開裂，上下圓環(huán)均已完全斷裂,如圖1、圖2所示。

圖1 脫落的中心筒 圖2 斷裂的中心筒吊鉤 Fig.1 Falling central cylinder Fig.2 Fractured hook of central cylinder

電廠先后使用過2種材質(zhì)、2種工藝的中心筒?，F(xiàn)使用的中心筒(新)采用整體鑄造，材質(zhì)為1Cr25Ni20Si2，筒體厚度為15毫米，吊鉤筋板厚度為10毫米，中心筒整體重約1.6噸。原中心筒(舊)材質(zhì)為1Cr20Ni14Si2，筒體厚度為12毫米，吊鉤筋板厚度為8毫米，中心筒重約1.3噸。原中心筒采用鋼板制造，使用壽命約為4～5年，在其預(yù)期壽命內(nèi)未發(fā)生明顯失效破壞；現(xiàn)使用的中心筒服役僅2個(gè)月時(shí)間，吊鉤便已全部斷裂，造成筒體整體脫落。作者分別在發(fā)生斷裂的左側(cè)和右側(cè)中心筒吊鉤以及左側(cè)圓環(huán)部位截取樣品進(jìn)行分析。為便于查找原因，對采用鋼板制造的舊中心筒筒體也取樣進(jìn)行了對比分析。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 成分分析

采用德國SPECTRO直讀光譜儀對新舊兩種中心筒材質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1所示。

表1 中心筒化學(xué)成分

2.2 力學(xué)性能測試

分別在新中心筒的吊鉤筋板和圓環(huán)部位采用線切割方式切取樣坯，并按標(biāo)準(zhǔn)加工成拉伸試樣，使用CMT5105型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表2所示。拉斷后的吊鉤和圓環(huán)試樣斷口均發(fā)現(xiàn)存在明顯氣孔。

表2 中心筒吊鉤和圓環(huán)的力學(xué)性能

2.3 硬度測試

分別對新中心筒的吊鉤筋板和圓環(huán)部位以及舊中心筒筒體試樣使用HB-3000型布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表3所示。

表3 中心筒的硬度

2.4 金相檢驗(yàn)

通過肉眼觀察發(fā)現(xiàn)，發(fā)生斷裂的吊鉤筋板部位存在明顯開裂，如圖3所示，筋板未發(fā)生明顯塑性變形，其斷口呈蜂窩狀，將左右兩側(cè)中心筒吊鉤筋板和左側(cè)圓環(huán)切割剖開后進(jìn)行預(yù)磨拋光，發(fā)現(xiàn)鑄鋼件內(nèi)部均存在大量的宏觀氣孔缺陷，如圖4所示。鑄鋼件致密性很差，圓環(huán)部位的氣孔缺陷尤為嚴(yán)重，實(shí)際測得的最大氣孔尺寸為16 mm。除此之外，試樣中還存在肉眼可見的夾渣缺陷，發(fā)現(xiàn)的最大夾渣顆粒尺寸為3.3 mm，如圖5所示。將試面采用鹽酸-硫酸銅溶液侵蝕后發(fā)現(xiàn)，試樣內(nèi)部還存在組織異常的異金屬缺陷，直徑約為3.1 mm，如圖6所示，該異金屬區(qū)域具有很強(qiáng)磁性，與無磁性的奧氏體基體存在明顯差異，可確定為合金含量較低的馬氏體鋼。同時(shí)，我們對舊的中心筒筒體試樣也進(jìn)行了解剖觀察，但未發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀氣孔、夾渣和異金屬缺陷。

圖3 開裂的吊鉤筋板 圖4 內(nèi)部氣孔Fig.3 Cracked stiffeners of hooks Fig.4 Internal stomata

圖5 內(nèi)部夾渣 圖6 異金屬缺陷Fig.5 Internal slag inclusion Fig.6 Dissimilar metals

將斷裂的吊鉤筋板和圓環(huán)試樣預(yù)磨拋光后，采用日本OLYMPUS GX71型金相顯微鏡進(jìn)行高倍觀察，在對鑄鋼的非金屬夾雜物進(jìn)行檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)試樣中的非金屬夾雜物較嚴(yán)重，同時(shí)還存在超尺寸大顆粒DS類夾雜，最大顆粒尺寸為39 μm，根據(jù)GB/10561-2005國家標(biāo)準(zhǔn)按夾雜物分布形態(tài)進(jìn)行評定，D類夾雜級別超過3.0級，DS類夾雜為2.0級，如圖7所示。試樣經(jīng)三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕后，進(jìn)行金相組織觀察，發(fā)現(xiàn)其表面存在明顯的晶間網(wǎng)狀裂紋和孔洞，如圖8所示，在高倍下觀察發(fā)現(xiàn)，試樣基體組織為奧氏體，沿晶分布有較多的條塊狀及顆粒狀一次碳化物，碳化物沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布，如圖9所示，晶粒內(nèi)部和晶界有大量彌散分布的二次碳化物和析出相，鑄件表面的裂紋沿奧氏體晶界分布的碳化物形成網(wǎng)狀。我們對舊中心筒筒體試樣也進(jìn)行了觀察，金相組織為馬氏體+殘余奧氏體+共晶碳化物，如圖10所示。

圖7 大顆粒夾雜 圖8 表面裂紋和孔洞Fig.7 Large Particle Inclusions Fig.8 Surface cracks and holes

圖9 中心筒的金相組織 圖10 舊中心筒金相組織Fig.9 Metallographic structure of central cylinder Fig.10 Metallographic structure of old central cylinder

3 分析討論

中心筒是鍋爐煙氣分離器的關(guān)鍵部件，它對鍋爐高溫?zé)煔獾姆蛛x效果起決定性的作用[1-2]。目前中心筒的制造有2種生產(chǎn)工藝和材質(zhì)，一種是用耐熱鋼板卷制而成, 另一種是高合金鉻鎳耐熱鋼鑄件[3]。該電廠鍋爐的中心筒原設(shè)計(jì)是采用1Cr20Ni14Si2耐熱鋼板卷制，由于鋼板從鋼坯到成品變形量較大，其致密度較高，缺陷較少，鋼板綜合性能較好，在相同服役環(huán)境下，使用壽命較高，但1Cr20Ni14Si2相對1Cr25Ni20Si2耐熱耐蝕性能稍差，同時(shí)鋼板卷制的中心筒在熱應(yīng)力作用下易發(fā)生變形。因此為了提高中心筒的耐熱耐蝕性能以及解決變形問題，電廠更換了中心筒材質(zhì)以及制造工藝，采用1Cr25Ni20Si2整體鑄造中心筒。1Cr25Ni20Si2鑄鋼具有耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特點(diǎn)，國外相近牌號為310S，它在900℃高溫環(huán)境下有較好的耐熱性能，可以連續(xù)使用，具有良好的抗熱疲勞、抗蠕變等高溫性能[4-5]。

從舊中心筒體的化學(xué)成分、硬度以及金相組織的觀察可以得知，舊中心筒體的化學(xué)成分不符合1Cr20Ni14Si2的成分要求，其碳、鉻、錳元素含量過高，而鎳和硅元素含量過低，該成分非奧氏體鋼，而是高碳高鉻的萊氏體鋼，因此其金相組織中含有大量的共晶碳化物以及馬氏體，這從舊中心筒體較高的硬度檢測結(jié)果也可以得到驗(yàn)證，這種成分鋼種的硬度強(qiáng)度雖然較高，但其耐腐蝕性能較差。現(xiàn)使用發(fā)生脫落的新中心筒化學(xué)成分主要元素及合金含量基本符合1Cr25Ni20Si2鋼的成分要求，但其硅含量偏低，未達(dá)到規(guī)定的合格范圍下限，下面重點(diǎn)對現(xiàn)使用的新中心筒進(jìn)行分析討論。

從新中心筒樣品的檢驗(yàn)分析結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場勘查情況可以得知，中心筒在服役過程中承受高溫?zé)煔獾臎_刷、高溫氧化腐蝕、熱應(yīng)力以及自身重量的拉伸應(yīng)力，工作環(huán)境較為惡劣，質(zhì)量較差的中心筒在運(yùn)行過程中易出現(xiàn)變形、磨損、腐蝕、開裂等故障，影響中心筒使用壽命和鍋爐的安全運(yùn)行。從鍋爐的運(yùn)行情況看, 分離器中心筒服役僅2個(gè)月時(shí)間，吊鉤便已全部斷裂，造成筒體整體脫落，其實(shí)際使用壽命比預(yù)期大大縮短。根據(jù)中心筒設(shè)計(jì)厚度及重量，經(jīng)過初步計(jì)算，在設(shè)計(jì)的材料強(qiáng)度以及正常服役環(huán)境下，中心筒自身重量形成的應(yīng)力不可能造成吊鉤的斷裂和中心筒整體脫落，但如果材料中存在冶金缺陷，情況就會發(fā)生很大變化。從以上金相觀察結(jié)果以及力學(xué)性能檢驗(yàn)情況可知，中心筒試樣內(nèi)部有大量宏觀氣孔缺陷，鑄鋼件致密性很差，同時(shí)還存在肉眼可見的夾渣、異金屬等冶金缺陷，其非金屬夾雜物也較為嚴(yán)重，存在超尺寸大顆粒夾雜，而使用壽命較長的舊中心筒筒體樣品中未發(fā)現(xiàn)宏觀氣孔、夾渣和異金屬等諸如此類的冶金缺陷。

眾所周知，宏觀氣孔、夾渣、異金屬、超大尺寸顆粒夾雜等是鋼中不允許存在的冶金缺陷，該中心筒鑄件中同時(shí)存在以上缺陷，說明鑄件的冶金質(zhì)量存在很大質(zhì)量問題。由于這些缺陷嚴(yán)重破壞了奧氏體基體的連續(xù)性，大量氣孔的存在降低了材料的有效尺寸，同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，這些因素都將明顯降低材料的拉伸強(qiáng)度、塑性和綜合性能[6]，這從我們對中心筒樣品測得的力學(xué)性能數(shù)據(jù)也可以得到證明，拉伸試樣斷口中存在氣孔缺陷，鑄件強(qiáng)度較低，塑性較差，均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在鍋爐煙氣的高溫作用、氧化腐蝕、熱應(yīng)力以及自身重量的拉伸應(yīng)力等惡劣環(huán)境下，這種存在較多冶金缺陷的中心筒使用壽命將大大縮短[7]，中心筒在很短的服役時(shí)間內(nèi)，從承受應(yīng)力較大的吊鉤部位先后依次發(fā)生斷裂，導(dǎo)致中心筒最終脫落是必然的。

4 結(jié)論

(1)吊鉤斷裂而整體脫落的中心筒，其化學(xué)成分主要元素及合金含量基本符合1Cr25Ni20Si2鋼的成分要求，但其硅含量偏低。舊中心筒筒體的化學(xué)成分主要元素及合金含量不符合1Cr20Ni14Si2鋼的成分要求，其碳、鉻、錳元素含量過高，而鎳和硅元素含量過低。

(2)脫落的中心筒試樣內(nèi)部存在大量宏觀氣孔、夾渣、異金屬等冶金缺陷，非金屬夾雜物較為嚴(yán)重，存在超大顆粒夾雜。舊中心筒筒體樣品中未發(fā)現(xiàn)此類缺陷。

(3)中心筒試樣內(nèi)部存在較多的冶金缺陷，鑄件致密性較差，是導(dǎo)致吊鉤斷裂和中心筒整體脫落的主要原因。