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        以大數(shù)據(jù)分析為載體的鍋爐水冷壁失效分析

        2019-09-23 11:05:24李曼
        工業(yè)加熱 2019年4期
        關(guān)鍵詞:鍋爐管球化珠光體

        李曼

        (上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信與信息工程學(xué)院,上海201411)

        在日常生活中,鍋爐應(yīng)用廣泛,而鍋爐長(zhǎng)期處于高壓、高溫狀態(tài),采用有效的檢測(cè)手段對(duì)于鍋爐安全運(yùn)轉(zhuǎn)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(shè)備和部件的持續(xù)運(yùn)行,傳統(tǒng)的燃煤電廠,鍋爐管,過(guò)熱器,熱交換器,渦輪機(jī)等的正常運(yùn)行對(duì)于維持電力供應(yīng)是十分重要的,即使單個(gè)組件故障也可能導(dǎo)致整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)停機(jī)。經(jīng)過(guò)相關(guān)研究報(bào)告,鍋爐管的失效是發(fā)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(fā)電廠中非常普遍的現(xiàn)象,對(duì)鍋爐管故障原因的調(diào)查對(duì)于防止未來(lái)的管故障非常重要,這是因?yàn)樽R(shí)別正確的故障機(jī)制通常有助于確保設(shè)備的完整性。常見的鍋爐管故障原因有點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、應(yīng)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(shè)置為10.8 MPa 和320 ℃,并且該管中的工作介質(zhì)是脫氣水。經(jīng)過(guò)8 年的使用,鍋爐管爆裂一個(gè)小洞,管的開口爆裂的尺寸為30 mm 長(zhǎng)和17 mm 寬。通過(guò)對(duì)失效管的詳細(xì)調(diào)查,本研究旨在利用多實(shí)驗(yàn)分析手段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,利用大數(shù)據(jù)分析的手段找出失效機(jī)理,并提出相應(yīng)的預(yù)防措施[3-5]。

        1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        對(duì)失效的管子進(jìn)行失效分析,特別是管子的破裂部分,為了檢查管的內(nèi)壁表面形態(tài),從失效管的不同區(qū)域制備樣品,并通過(guò)不同的手段獲取目標(biāo)的關(guān)鍵數(shù)據(jù):

        (1)通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)金相技術(shù)制備金相試樣,并用4%硝酸溶液蝕刻;

        (2)通過(guò)光學(xué)顯微鏡和配備有能量色散X 射線(EDX)分析設(shè)備的掃描電子顯微鏡(SEM)分析微結(jié)構(gòu);

        (3)通過(guò)725ES 安捷倫光譜儀分析故障管的化學(xué)組成[6-7]。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)孔,翹起的金屬在孔周圍。近距離目視檢查發(fā)現(xiàn),面向火的一側(cè)的壁厚小于后側(cè)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(fā)現(xiàn),對(duì)失效管進(jìn)行壁厚測(cè)量。在面向火的一側(cè),最薄區(qū)域的厚度約為1.90 mm,遠(yuǎn)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(nèi)表面和外表面上觀察到氧化皮,并且在管的破裂部分沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的凸起。為了分析管子的失效原因,對(duì)破裂部分和遠(yuǎn)離破裂區(qū)域的原始管子進(jìn)行了取樣和分析。結(jié)果顯示失效管的朝向火的一側(cè)的腐蝕比背面更嚴(yán)重。

        2.2 化學(xué)分析

        所研究的鍋爐管由20G 鋼制成,且失效管的化學(xué)成分經(jīng)檢測(cè)如表1所示??梢钥闯?,管的基質(zhì)材料的組成符合GB 5310—2008的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[8]。

        表1 失效管的化學(xué)成分%

        2.3 微觀結(jié)構(gòu)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(zhì)。通過(guò)掃描電子顯微鏡分析樣品的表面形態(tài),如圖3所示??梢钥闯?,面向火的一側(cè)的內(nèi)壁表面,特別是破裂部分的薄片,具有大的內(nèi)壁表面、腐蝕坑的數(shù)量;背面的內(nèi)壁表面相對(duì)平坦,凹坑少得多。此外,在面向火的一側(cè)的內(nèi)壁表面上觀察到明顯的鱗片,其中一些已經(jīng)破裂并從污垢層上剝落。

        圖3 試驗(yàn)樣品地內(nèi)壁的表面形態(tài)

        該結(jié)果與宏觀觀察結(jié)果一致,如表2 所示為EDS結(jié)果,利用多實(shí)驗(yàn)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(cè)結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氯和其他異常元素,這表明鍋爐管有嚴(yán)重的氧氣腐蝕。并且面向火的一側(cè)的鐵氧比小于背面的鐵氧比,特別是在比率達(dá)到最小的裂縫部分,這表明在面層側(cè)的管的氧化比在背面,連續(xù)發(fā)生氧化可能導(dǎo)致壁厚變薄。

        表2 失效管內(nèi)壁的EDS結(jié)果mg

        結(jié)果表明在基材中,碳化物圓化或晶界空隙產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)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(cè)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(yán)重。在使用過(guò)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(fā)展而形成球形珠光體。相關(guān)研究表明,盡管珠光體球化不同,但當(dāng)試驗(yàn)溫度從室溫升至475 ℃時(shí),20G 的拉伸強(qiáng)度降低了6.5%。因此,當(dāng)溫度低于475 ℃時(shí),珠光體球化對(duì)20G 的機(jī)械性能幾乎沒(méi)有影響。

        本文通過(guò)多實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集完成后,通過(guò)大數(shù)據(jù)分析的多維建模的手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,即對(duì)視力檢查、化學(xué)分析、微觀結(jié)構(gòu)分析等多種數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗,并按照鍋爐管故障發(fā)生的常見點(diǎn)按照相互間的關(guān)系構(gòu)建分析模型。

        3 結(jié) 論

        本文主要以鍋爐水冷壁在火面一側(cè)容易爆裂為分析研究對(duì)象。利用多實(shí)驗(yàn)分析手段,通過(guò)觀測(cè)化學(xué)分析以及微結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)獲取不同試驗(yàn)樣品地測(cè)試數(shù)據(jù),結(jié)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(duì)材料的機(jī)械性能幾乎沒(méi)有影響。通過(guò)觀察管的朝向火的側(cè)面經(jīng)歷了顯著的壁變薄,并且管內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物主要是氧化鐵。面向火的一側(cè)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(yán)重。

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