喬 帥（山西省漳澤電力河津發(fā)電分公司，山西 河津 043300）

0 引 言

發(fā)電廠鍋爐的可靠運(yùn)行是發(fā)電廠安全運(yùn)行的要素。發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行中，由于運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，長時間運(yùn)行下很容易發(fā)生鍋爐管受熱爆漏的情況，不利于發(fā)電機(jī)組的安全高效運(yùn)行。為了鍋爐安全高效運(yùn)行，要深入剖析300 MW級亞臨界鍋爐管爆裂原因，制定科學(xué)有效的預(yù)防措施，對300 MW級亞臨界鍋爐管的剩余壽命進(jìn)行綜合評估，規(guī)劃日常管理方式和養(yǎng)護(hù)方式，定期檢查和維修，做好鍋爐壓力容器的檢查工作，預(yù)防鍋爐管爆裂，提高發(fā)電廠日常運(yùn)行的安全性。在這樣的環(huán)境背景下探究300 MW級亞臨界鍋爐管爆裂原因及剩余壽命評估，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 300 MW級亞臨界鍋爐管爆裂原因分析

以300 MW級亞臨界鍋爐管為研究對象，樣本選擇某發(fā)電廠300 MW國產(chǎn)燃煤發(fā)電機(jī)組3號鍋爐的爆裂過熱管道。該管道已經(jīng)運(yùn)行53 085個小時，運(yùn)行溫度達(dá)到540 ℃，額定蒸氣壓力為16.7 MPa，運(yùn)行時間沒有超出鍋爐管道的預(yù)設(shè)壽命。為了減少此類安全事故的發(fā)生，必須找出該鍋爐過熱管道的爆裂原因，估算實(shí)際壽命，采取合理有效的措施保證鍋爐的安全運(yùn)行。

1.1 研究方法與思路

采用對比法進(jìn)行300 MW級亞臨界鍋爐管爆裂原因分析，分別選取爆裂管和未爆裂管，對二者的外觀形貌、力學(xué)性能、金相組織、氧化層和爆裂裂紋進(jìn)行綜合分析，找出爆裂管和未爆裂管各項(xiàng)檢測結(jié)果的異同，判斷300 MW級亞臨界鍋爐管爆裂原因。研究人員在爆裂管與未爆裂管上進(jìn)行取樣，利用事先準(zhǔn)備好的環(huán)狀橫向金相試樣和半環(huán)狀縱向金相試樣，使用金相顯微鏡進(jìn)行觀察。同時，研究人員選擇ICP光譜儀列出該樣品中爆裂管與未爆裂管的化學(xué)成分，明確爆裂管材料化學(xué)成本符合相關(guān)指標(biāo)要求，仔細(xì)分析和觀察爆裂管的形貌，記錄觀察到的內(nèi)容，以便后期綜合分析研究爆裂管。

1.2 爆裂管力學(xué)性能檢測分析

第一，在外觀形態(tài)上看，爆裂管中的爆裂位置為過熱器管道直管段，管內(nèi)壁和外壁表面附著的氧化皮已部分剝落，內(nèi)外壁表面沒有任何的金屬光澤，其中氧化層破口位置邊緣已經(jīng)鈍化，爆裂管破口位置厚度達(dá)到4.2 mm，而未爆裂管的厚度是7.2 mm，爆口處外徑相比于未爆裂位置變粗。觀察爆裂管內(nèi)外壁，研究人員發(fā)現(xiàn)管壁有一層很厚的氧化層，說明爆裂管的破口位置已經(jīng)被高溫氧化[1]。第二，從爆裂管拉伸性能上看，研究人員對未爆裂管和爆裂管兩種材質(zhì)進(jìn)行取樣檢測，取樣位置為向火面和背火面，檢查結(jié)果如表1所示。相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)中，對12Cr1MoV鍋爐管的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度有明確要求。從12Cr1MoV爆裂管的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及延伸率上看，向火面和背火面都遠(yuǎn)低于質(zhì)量指標(biāo)，而12Cr1MoV未爆裂管的向火面抗拉強(qiáng)度沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，背火面的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及延伸率都符合質(zhì)量指標(biāo)。此外，12Cr2MoWVTiB未爆裂管的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)也均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。未爆裂管和爆裂管兩種材質(zhì)的向火面力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于背火面力學(xué)性能?？梢钥闯?，300 MW級亞臨界鍋爐管長時間在高溫高熱環(huán)境下運(yùn)行，使得鍋爐管總體力學(xué)性能迅速下降，期中向火面下降幅度遠(yuǎn)高于背火面。

1.3 爆裂管金相組織檢測分析

第一，圖1為12Cr1MoV未爆裂管金相組織，以鐵素體與珠光體組合形成，其中提供聚焦形態(tài)作用的珠光體碳合物已經(jīng)不是片狀，一部分生成灰色塊狀區(qū)域，使得珠光體區(qū)域開始逐漸呈現(xiàn)分散狀態(tài)，表露出該材質(zhì)發(fā)生輕度球化現(xiàn)象，等級約為3級。從圖1也可以觀察到個別晶界中的蠕變孔洞，再加上發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁厚厚的氧化層，可以初步判斷該材質(zhì)形成蠕變。同時，距離爆口較近位置向火面的金相組織中，珠光體碳化物分散狀態(tài)較為明顯，形成小球狀，并位于鐵素體晶界，球化程度已經(jīng)達(dá)到4級左右，屬于完全球化。鍋爐管長時間處于高溫高熱環(huán)境下，向火面組織逐漸拉長變形，沒有任何相變產(chǎn)生，成為較為嚴(yán)重的球化組織，從爆口處向四周逐漸變淺。背火面屬于中度老化組織，完全球化，但在檢測中沒有發(fā)現(xiàn)任何的組織轉(zhuǎn)變，可以看出該爆裂存在短期過熱塑性斷裂的特點(diǎn)。

表1 爆裂管與未爆裂管的力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖1 12Cr1MoV未爆裂管金相組織

第二，圖2為12Cr2MoWVTiB未爆裂管金相組織，以貝氏體、鐵素體和碳化物為主要成分，三角位置存在局部再結(jié)晶問題。該區(qū)域鐵素體晶粒很小，碳合物以鏈條狀呈現(xiàn)在晶界位置，留有粗化碳合物顆粒?？梢钥闯?，鍋爐管在長期高溫高熱環(huán)境下形成了再結(jié)晶組織，存在過熱運(yùn)行的痕跡。

圖2 12Cr2MoWVTiB未爆裂管金相組織

1.4 爆裂管氧化層檢測分析

研究人員采用對比法分別選取爆裂管的爆口位置和遠(yuǎn)離爆口位置的樣品，并利用試樣進(jìn)行氧化層檢測分析。分析發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離爆口位置的氧化膜金屬表面存在沿晶氧化現(xiàn)象，而爆裂管爆口位置內(nèi)外壁已經(jīng)生成較厚的氧化膜，具有顏色差異大的特點(diǎn)，整體結(jié)構(gòu)則以多層結(jié)構(gòu)為主。由此可以得出，12Cr1MoV材質(zhì)的鍋爐管處于溫度580 ℃下具備良好的抗氧化性能，腐蝕深度可以控制在0.05 mm/a，一旦溫度高于600 ℃，12Cr1MoV材質(zhì)的鍋爐管抗氧化性能會迅速下降，腐蝕深度會高于0.1 mm/a，使得鍋爐管氧化層逐漸脫落，造成鍋爐管爆裂。根據(jù)上述檢測結(jié)果，12Cr1MoV爆裂管爆口位置氧化層厚度與遠(yuǎn)離爆口位置氧化層厚度之間的差距較大，均低于理論厚度。這主要是因?yàn)殄仩t管內(nèi)壁氧化層由于受到高溫蒸汽的沖刷造成氧化膜碎裂，過多積壓導(dǎo)致局部溫度過高而造成鍋爐管爆裂[2]。

1.5 爆裂管裂紋檢測分析

從12Cr1MoV爆裂管裂紋上看，明確了爆口位置組織和裂紋形態(tài)，明確了裂紋主要是晶界位置發(fā)生蠕變孔洞并沿著晶界向外拓展連接生成，具備沿晶斷裂特點(diǎn)，屬于長期超溫爆裂后的結(jié)果。同時，12Cr1MoV爆裂管主裂紋與二次裂紋的邊緣存在晶粒變形問題，主要是因?yàn)楸谖恢檬莾?nèi)部蒸汽壓力而無法承受內(nèi)壓導(dǎo)致的爆裂，具備短期高溫過熱塑性變形特征。

通過上述分析可以看出，造成300 MW級亞臨界鍋爐管爆裂原因有以下兩方面。一是300 MW級亞臨界鍋爐管內(nèi)壁氧化層由于長期處于超過600 ℃的環(huán)境，降低了鍋爐管抗氧化性能，使其內(nèi)外部形成一層厚厚的氧化層，內(nèi)壁受到高溫蒸汽的沖刷造成氧化膜碎裂，過多積壓導(dǎo)致局部溫度過高而造成鍋爐管爆裂。二是300 MW級亞臨界鍋爐管局部短期過熱，迅速降溫后加快了鍋爐管內(nèi)外氧化層的形成，降低了鍋爐管自身的承載能力，從而造成300 MW級亞臨界鍋爐管的爆裂[3]。

2 300MW級亞臨界鍋爐管剩余壽命評估

本文運(yùn)用持久強(qiáng)度法進(jìn)行300 MW級亞臨界鍋爐管剩余壽命評估。持久強(qiáng)度是衡量鍋爐管材料處于長期高溫應(yīng)力下的抗塑性斷裂能力強(qiáng)度指標(biāo)，在某溫度下，1×105h對應(yīng)的應(yīng)力值是該鍋爐管的持久性強(qiáng)度極限。在剩余壽命評估中，通過持久強(qiáng)度計(jì)算鍋爐管的剩余壽命。設(shè)定雙對數(shù)坐標(biāo)進(jìn)行持久強(qiáng)度曲線制定，在580 ℃以上溫度下，持久強(qiáng)度曲線應(yīng)力和斷裂時間具備下述關(guān)系：

其中σ表示應(yīng)力，tr表示斷裂時間，A、B分別表示材料常數(shù)。

式（1）兩邊取對數(shù)，得：

從對數(shù)坐標(biāo)上看，應(yīng)力和時間之間的持久強(qiáng)度曲線為直線關(guān)系。在式（1）和式（2）的基礎(chǔ)上，得出300 MW級亞臨界鍋爐管的最小壽命和平均壽命。

最小壽命為：

進(jìn)一步得到：

平均壽命為：

進(jìn)一步得到：

其中tmin表示最小壽命，t表示平均壽命，σZS表示工作應(yīng)力。結(jié)合300 MW級亞臨界鍋爐管的實(shí)際工作壓力和尺寸大小，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范可以得出該管道內(nèi)壓折算應(yīng)力，最終獲得300 MW級亞臨界鍋爐管的剩余壽命[4]。

3 300 MW級亞臨界鍋爐管的日常養(yǎng)護(hù)要點(diǎn)

結(jié)合300 MW級亞臨界鍋爐管的爆裂原因分析，相關(guān)工作人員要加強(qiáng)300 MW級亞臨界鍋爐管的日常養(yǎng)護(hù)工作，具體措施表現(xiàn)為以下幾方面。第一，工作人員重視300 MW級亞臨界鍋爐管爆裂事故，了解300 MW級亞臨界鍋爐管爆裂的原因，樹立養(yǎng)護(hù)意識，提高日常檢查的外觀形貌檢查，做好相關(guān)記錄；第二，工作人員要在300 MW級亞臨界鍋爐運(yùn)行中，定期檢測鍋爐管道實(shí)際溫度，然后根據(jù)溫度做好相關(guān)防護(hù)工作，結(jié)合鍋爐的運(yùn)行情況計(jì)算鍋爐的剩余壽命，再根據(jù)檢查結(jié)果做好鍋爐管理決策，預(yù)防安全事故，進(jìn)而保證300 MW級亞臨界鍋爐管的安全有效運(yùn)行[5-6]。

4 結(jié) 論

綜上所述，在300 MW級亞臨界鍋爐管爆裂分析中，得到了300 MW級亞臨界鍋爐管爆裂原因，包括管內(nèi)氧化層破裂堆積和氧化層快速生成而降低了鍋爐管道承載力等。為了預(yù)防這一爆裂問題，要求工作人員加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)，核算300 MW級亞臨界鍋爐管的剩余壽命，以此為依據(jù)進(jìn)行管理決策，保證鍋爐的安全有效運(yùn)行。

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