锅炉水冷壁管表面缺陷原因

锅炉水冷壁管表面缺陷分析13-14学年短学期综合实验B汇报人：蒋俊12010313指导老师：晏井利2013/9/11锅炉水冷壁管表面缺陷分析材料科学与工程学院东南大学南京蒋俊12010313摘要：针对扬子石化烯烃厂某锅炉水冷壁向火侧外表面出现坑状缺陷现象，采用宏观检验、力学性能检测、金相检验、成分分析等方法对此锅炉水冷壁管所出现缺陷的原因进行了分析。结果表明水冷壁管向火面缺陷是由于外力造成的。关键字：水冷壁管表面缺陷向火面外力一．研究目的：扬子石化烯烃厂某锅炉水冷壁管在点火运行过程中其向火一侧炉管表面出现多处坑状缺陷现象。该批炉管材质为20G，为膜式横向三排结构，锅炉运行时间约1万小时以上。为了查明水冷壁管向火侧出现缺陷原因，对典型的缺陷管段采取割管，进行取样分析和检验；在查明缺陷原因的基础上，寻求改进措施和解决方案。二．水冷壁管简介水冷壁管：水冷壁管是锅炉的主要受热部分，敷设在锅炉炉膛四周，它由数排钢管组成，分布于锅炉炉膛的四周。它的内部为流动的水或蒸汽，作用是吸收炉膛中高温火焰或烟气的辐射热量，在管内产生蒸汽或热水，并降低炉墙温度，保护炉墙。在大容量锅炉中，炉内火焰温度很高，热辐射的强度很大。锅炉中有40～50%甚至更多的热量由水冷壁所吸收。除少数小容量锅炉外，现代的水管锅炉均以水冷壁作为锅炉中最主要的蒸发受热面。三．炉管缺陷原因预测根据对所查找的资料和有关失效分析的案例，初步对炉管向火面表面出现缺陷的可能原因进行了预测，分别为应力断裂、腐蚀、疲劳、磨损、质量控制失误（含外力影响）等五种主要失效形式。3.1应力断裂应力断裂分为：高温蠕变、短期过热、石墨化。3.1.1高温蠕变锅炉受热面管在正常的设计温度和压力下运行，其使用寿命能达10—15万小时以上。但如果管壁温度长期处于设计温度以上而低于材料的下临界温度，则会发生碳化物球化，管壁氧化减薄，持久强度下降，蠕变速度加快，直至最终爆管。管子的使用寿命便短于设计寿命，超温程度越高，寿命越短。主要发生在高温过热器管、高温再热器管，但在不正常的运行状态下，在低温过热器、再热器、水冷壁的向火侧均可发生高温蠕变。（1）失效的机理受热面管在高温下运行时所受的应力主要是由过热蒸汽内压力所造成的对管子的切向应力。在这种应力的作用下，使管径发生胀粗。当过热器管在正常的设计应力作用下并于额定温度下运行时，管子以相当于10P-7P毫米／时速度数量级的蠕变速度发生管子正常的径向蠕变。当管子由于超温而长期过热时，由于运行温度提高，既使管子所受应力不变，管子也会以加快了的蠕变速度而发生管径胀粗。蠕变速度的加快程度与超温的温度的水平有关。随着超温幅度的提高，蠕变速度也会增加。于是，随着超温运行时间的增加，管径就越胀越大，慢慢地在各处产生晶间裂纹；晶间裂纹的继续积聚并扩大就成为宏观轴向裂纹，最后以比正常温度正常压力下小得多的运行时间而开裂爆管。蠕变晶间裂纹沿晶界发展，所以都是弯弯曲曲的。正因为长期过热爆管的破口是由这些弯弯曲曲的晶间裂纹发展而成，因而破口断裂面呈现出粗糙而不平整、边缘是钝边的宏观形貌。在受热面管应力的最高处既弯头部位，晶粒因出现了滑移层而变长了，在高温的作用下产生再结晶，同时晶粒之间发生了相对位移，在蠕变的过程中，塑性变形与再结晶交替出现，晶粒之间不断的相对位移，就在晶粒的交界处产生了蠕变孔洞，随着运行时间的增加，蠕变孔洞逐渐聚集长大，形成晶间蠕变微裂纹，在继续的蠕变过程中，蠕变裂纹逐步发展成为宏观裂纹，因此在破口（破口也是裂纹之一）附近常常有为数众多的轴向裂纹。这种裂纹很象一些老树的树皮，从它们的形象可以使人想象到这些过热器管在长期过热时的高温和应力作用下，慢慢地耗净了“变形能力”而“衰老”，直到爆破为止的过程。相应的机械性能、合金元素的分配、剩余寿命等也随着相应的变化，（3）失效的特征宏观特征：缺陷处管径胀粗，外壁有较厚的氧化皮，内外壁有纵向裂纹。组织性能特征：高温高压运行过程中，主要是珠光体形态的变化，珠光体由片状变成球状，碳化物在晶界聚集长大，球化级别的增加。碳化物向晶界偏聚，合金元素由固溶体向碳化物转移，在晶界上有蠕变孔洞，材料的强度、断裂韧性、塑性降低。3.1.2短时过热锅炉受热面管在运行过程中，由于冷却条件的恶化等原因，使管壁温度急剧上升。（1）失效的机理短时过热失效是锅炉水冷壁的温度在短时间内突然上升很高，有时达到了该管钢材的下临界点，甚至达到了上临界点以上的温度，管子在这样高的温度下运行，其抗拉强度在很短的时间内将会急剧下降，此时，在介质压力作用下，受热面管中温度最高的向火侧首先产生塑性变形。2）失效的特征宏观特征：炉管胀粗不大，发生弯曲变形，外壁氧化不明显。组织性能特征：金相组织根据过热温度的不同，常是淬硬组织或铁素体加淬硬组织，钢的强度大幅度下降。3.2腐蚀3.2.1高温腐蚀由沉积物中的非硅酸盐杂质的化学过程所引起的一种炉管金属损耗。通常发生在过热器和再热器的向火侧外表面，在水冷壁蒸发高温段和液态排渣炉的水冷壁烟气侧外壁也会发生高温腐蚀，表现为高温硫腐蚀和高温氯化氢腐蚀。发生腐蚀的根源在于燃烧过程，燃料、燃烧器和炉膛的特征量对发生腐蚀及其发展有着重要的影响。（1）失效机理以水冷壁的硫腐蚀为例，高温腐蚀通常发生在水冷壁外表面燃烧口区域，该区域存在还原性气氛，能使原子状态的硫单独存在。常发生在在液态排渣的锅炉上，燃用含硫量高的煤粉。自由硫原子的产生：FeS2FeS+[S]2H2S+SO22H2O+3[S]Fe+[S]FeS形成氧化铁：3FeS+5O2Fe3O4+SO2（2）失效特征宏观特征：腐蚀沿向火侧局部浸入，呈鼠啃坑穴状、麻点或浅沟槽。腐蚀区表面的覆盖层较厚，分为四层，第一层为积灰，第二层为疏松积灰和氧化铁的混合物，第三层为Fe2O3红色层，第四层为有黑色光泽的硬垢Fe3O4，第一、第二层在运行中容易脱落，第四与金属机体结合较牢固。微观特征：一般是分层减薄，而整体组织没有明显的变化，在腐蚀前沿的金属表面可能发生晶界腐蚀。经能谱分析可发现在氧化物的基体上分布着富硫的粒状物，第四层覆盖物和金属的交界处富集硫。3.2.2低温腐蚀常出现在空气预热器的冷端以及给水温度低的省煤器表面，一般总是伴随着发生严重的堵灰现象。（1）失效机理煤中硫燃烧后生成的二氧化硫与烟气中水蒸气结合形成硫酸蒸汽，凝结在温度低于烟气露点温度的金属表面上导致发生腐蚀。（2）失效特征受热面发生大面积溃蚀性腐蚀。腐蚀最严重的区域在水蒸汽凝结温度附近，（低酸浓度腐蚀区）；酸露点以下10—40℃区域（高酸浓度腐蚀区）。3.2.3氧腐蚀氧腐蚀为锅炉管在水溶液中氧去极化的电化学腐蚀。（1）失效机理当除氧器运行不正常，有可能使给水中的溶解氧带入锅炉内，锅炉的水冷壁管通常不发生氧腐蚀，因为氧集中在汽泡中，不易到达金属表面。锅炉在基建和停用期间，如没有采取适当的保护措施，就会发生氧腐蚀。点蚀是通过氧的腐蚀过程的进行逐渐形成腐蚀坑（闭塞电池）而后加速腐蚀的，氧还起极化作用，清除阴极产生的氢，蚀坑的进一步发展可能诱导出疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹。运行中，氧腐蚀产物为磁性氧化铁（Fe3O4），呈黑色，与金属结合牢固，停炉时，氧腐蚀的产物为砖红色的氧化铁（Fe2O3），结构疏松。（2）失效特征宏观特征：管子内壁发生溃疡，点状、坑状腐蚀坑造成管壁减薄。裂纹萌生于内壁蒸汽侧，在腐蚀区没有过热现象，基本上没有结垢。在弯头内壁的中性面附近易产生腐蚀坑，弯头的椭圆度大、应力集中，腐蚀坑沿轴向发展，可能诱发腐蚀裂纹。组织性能特征：组织和性能均没有变化。3.2.4垢下腐蚀当锅炉内受热面管子的内表面附有水垢时，在其下面会发生严重的腐蚀，也是最常见的一种腐蚀，通常发生在向火侧器壁上，在正常的运行条件下，金属表面在高温锅炉水中形成一层Fe3O4膜，膜是致密的，具有良好的保护性能，受热面管可以不遭到腐蚀，但是如果锅炉水的PH值不合适，会使膜遭到破坏，金属表面暴露在炉水中，受到腐蚀，在一般的运行条件下，锅炉水PH值保持9-11之间，保护膜是稳定的，不会发生腐蚀，但当受热面管内壁有水垢时，由于垢的传热性很差，垢下金属管壁的温度升高，渗到垢下面的锅炉水会发生急剧蒸浓，炉水的高度浓缩，而且不能和炉管中的炉水混合，具有很强的侵蚀性，积垢影响了传热，造成管壁的温度大大高于炉水的温度。垢下腐蚀可分为酸性腐蚀和碱性腐蚀，这两种腐蚀常又根据其损伤情况的不同，分别称为氢损伤和苛性腐蚀。（1）氢损伤氢损伤是一种氢腐蚀，汽水与金属氧化反应产生的氢气未被及时排走，就溶入钢中造成氢损伤。a失效机理氢腐蚀是一种不可逆的脆性，当氢进入钢，在温度的作用下组织内部成分发生变化，致使钢内部脱碳并造成裂纹，此时使钢脱氢，也不能使钢的性能恢复。在高温（高于400℃）下，蒸汽与钢管中的铁元素接触时，会发生如下反应：4H2O+3FeFe3O4+8[H]水垢下面生成的H受到沉积物的阻碍，无法扩散到汽水混合物区，使金属管壁与水垢之间积聚了大量的氢，此时产生的氢不能马上被汽水带走，于是溶于钢中，氢分子和钢中的渗碳体发生反应:2H2+Fe3C3Fe+CH4氢分子和钢中的游离碳发生反应：2H2+CCH4氢原子和钢中的碳发生反应：4[H]+CCH4CH4体积大得多，它在晶粒内产生巨大的内应力，同时Fe3C变成Fe后，体积缩小，结构松弛，强度降低，所有的反应均生成CH4，积聚多时，产生很大的内应力而使内部造成微裂纹。在汽水压力作用下就发生爆破。b失效特征宏观特征：缺陷处没有宏观塑性变形和管径胀粗现象，断口为脆性断裂平断口，称为“窗形开口”。往往发生于向火侧，裂纹由内壁萌生，管壁没有明显减薄，破坏一般很快。内壁有比较致密的沉积物，与金属结合的较牢固，垢下腐蚀坑壁有轴向裂纹。组织性能特征：腐蚀前沿裂纹表面附近的金属发生脱碳和晶间微裂纹，碳化物多数或全部消失，剩下的主要是铁素体晶粒，假若裂纹不与外界相通，裂纹表面很干净，腐蚀严重时，脱碳和微裂纹的深度接近壁厚。腐蚀裂纹区经能谱分析氢的含量明显升高。缺陷附近的强度急剧下降，同时塑性降低。（2）碱性腐蚀如果炉水中有游离的NaOH，在垢下会因炉水浓缩而形成高浓度的OH-，发生碱性腐蚀。一般发生在水冷壁高热辐射的燃烧器标高位置。a失效机理当炉水PH值高（PH＞12）时，管内壁保护膜被破坏，使金属很快腐蚀。当氢氧化钠浓度达到10ppm-20ppm，加剧腐蚀，铁和水的反应速度急剧增加。阳极Fe-2eFe2+阴极2H++2eH2阴极反应不是发生在垢下，而是发生在没有垢的背火侧，生成的H2没有阻拦，很快进入汽水混合物被带走，所以不发生钢的脱碳现象，只是在垢下形成一个个腐蚀坑。b失效特征宏观特征：塑性失效，盐垢为多孔沉积物，与金属结合较弱，垢下腐蚀为坑穴状，均匀腐蚀，管壁减薄。组织性能特征：腐蚀前沿金属不发生脱碳，金属组织和机械性能没有变化，金属有损耗，但材质没有变化。3.2.5晶间腐蚀和应力腐蚀晶间腐蚀和应力腐蚀开裂通常发生在高参数锅炉用奥氏体钢。（1）失效机理高温过热器和再热器工作在容易使奥氏体钢遭受晶间腐蚀的温度范围。管排整体消应力热处理，使钢材处于敏化状态，加大晶间腐蚀敏感性。而钢管又在高温、高压和腐蚀介质中工作，管材会发生变化，随着运行（或超温），晶界逐渐有碳化物析出，合金元素从固溶体向碳化物迁移，晶界附近固溶体中合金含量降低，碳化物逐渐聚集长大，在局部形成链状碳化物，造成晶界贫铬，逐渐形成晶间腐蚀。由于奥氏体不锈钢管排存在残余应力、组装应力等，在特定的腐蚀介质环境下如Cl-，就会诱发和加速应力腐蚀破裂的产生和扩展。（2）失效特征宏观特征：脆性断裂，断口周围无塑性变形，断口呈颗粒状，厚边缘裂纹，裂纹从蚀坑处萌生，易发生在应力较高的部位如弯头、焊缝和其它冷加工区。裂纹的取向与应力方向有关。组织特征：晶间腐蚀裂纹是沿着或紧靠金属晶粒边界发生腐蚀，应力腐蚀裂纹形貌为树枝状分叉，裂缝中不形成坚固的腐蚀产物。3.3疲劳锅炉管的疲劳有水侧腐蚀疲劳、烟气侧腐蚀疲劳和鳍片拉裂。3.3.1.水侧腐蚀疲劳在交变应力和腐蚀介质同时作用下，金属的疲劳强度和疲劳寿命较无腐蚀作用时有所降低，这种