循环流化床锅炉快速磨损失效机理

论文选萃循环流化床锅炉快速磨损失效机理邓化凌1,李广龙2,宋云京1,岳增武1（1.山东电力研究院济南250002;2.山东里彦发电有限公司济宁273517）摘要：用扫描电镜(SEM)对实际运行后的循环流化床(CFB)锅炉水冷壁管局部磨损区域的微观形貌进行观察和分析，研究了局部磨蚀坑的形成过程，提出了CFB锅炉水冷壁快速磨损失效的新机制和“微区凿削”磨损模型。结果表明，水冷壁失效主要是高攻击角颗粒撞击磨损与低攻击角颗粒冲刷磨损结合的局部快速冲蚀形成小而深的磨蚀坑，磨蚀坑下部台阶磨损失效的微观机制是撞击-疲劳-塑性变形-表面微裂纹-冲刷-脱落，磨损速率最快；底部磨损失效的微观机制为冲刷-切削-撞击-剥落，磨损速率较快；两侧面的失效机制为氧化膜破碎脱落，磨损速率最慢。三种磨损机制的综合作用使局部磨蚀坑迅速向深部发展，从而使水冷壁管快速减薄失强而造成爆管失效事故。关键词：循环流化床锅炉,微区凿削,快速磨损,机理1引言循环流化床(CFB)是近年来在国际上发展起来的煤的洁净燃烧新技术，是一种高效、低污染的新型锅炉[1~3]，具有燃料适应性广、燃烧效率高(燃烧效率可达99%，锅炉效率能达到88%~91%[4，5])、调峰幅度大以及灰渣易于综合利用等优点，已成为新世纪能源利用技术的发展方向之一。随着CFB锅炉的普及使用，其在运行中的问题也逐渐暴露出来，主要表现为运行时数少、磨损严重、出力不足等方面。尤其是CFB锅炉的磨损问题，已成为严重制约该类锅炉应用与发展的首要问题[6~8]。因此，对CFB锅炉的磨损机理进行研究具有重要的理论及现实意义。通过对多台循环流化床锅炉受热面爆管失效分析，发现引起爆管、造成停炉事故的不是大面积的均匀磨损，而是单根管子局部区域的磨损，其宏观形貌如儀凿一般。局部磨损速率很快，往往使炉管快速减薄失强而引起爆管事故。本文把这种局部区域的快速磨损称为“微区凿削”磨损，通过扫描电镜对磨损表面的微观形貌进行观察和分析，研究局部磨蚀坑的形成过程和失效的微观机制。2局部磨损的宏观形貌图1和图2是465t/h循环流化床锅炉水冷壁管典型的局部磨损宏观照片。图1是管壁上的防磨涂层上部边缘处的磨损，由于涂层具有一定的厚度而在上部边缘形成凸台，使沿管壁下行的物料流经此处时发生变向形成涡流，从而造成局部磨损。局部磨损坑下部(A区)及两侧(C区)形成较陡的立壁，底部(B区)存在几条宏观沟槽，凿削现象十分明显。图2是从炉管上割取下的局部磨损的试样，磨损在管壁上形成台阶(D区)，肉眼观察发现磨损台阶与磨损坑底部表面十分光滑。以上两处局部磨损的共同点是磨损面积小而较深，而局部磨损区域周围的管壁磨损较轻。内部资料，仅供参考-10-中试样在扫描电子显微镜(SEM)下观察，局部磨损处的微观形貌如图3~5所示。图3是局部磨损坑槽底部(图2中E区)的微观形貌，在低倍下(图3a)看不到明显的磨痕，基体上零散分布着一些片状氧化物。在高倍(图3b)下观察时，就能清楚地看到方向一致的条状磨痕，磨痕的深浅宽窄都不一致，有的窄而深(黑色部分)，有的宽而浅(灰色部分)，说明冲蚀颗粒的大小、粒度、棱角度及速度等都不相同。高温氧化物以片状存在，且数量较少，说明基体的磨损速度较快，氧化物刚刚形成即被冲刷掉。在基体上除了条状磨痕和片状氧化物外，未见塑性变形层和冲蚀坑，表明在坑槽的底部，是以冲刷磨损为主，其失效机制为微观切削。(a)(b)图3局部磨损坑底部磨损的微观形貌(SEM)(a)低倍形貌；(b)高倍形貌内部资料，仅供参考-11-(a)(b)显微裂纹显微裂纹(c)(d)图4局部磨损坑台阶磨损的微观形貌(SEM)(a)局部磨损台阶全貌；(b)台阶上的冲蚀坑；(c)台阶上的氧化物及塑性变形层；(d)塑性变形层上的显微裂纹图4是局部磨损坑下部的磨损台阶(图2中D区)的微观形貌。图4a是局部磨损的低倍扫描电镜照片，G区为管子外壁。可以看出台阶表面有细小的条状磨痕，磨痕与台阶边缘成一定的夹角，约为30度，表明台阶处受到斜向冲刷磨损。将台阶D区放大观察(图4b)，可看到基体表面存在一些粗糙的附着物，并有一定数量的冲蚀坑(图中深灰色圆点)。在高倍下(图4c、d)观察，可看到粗糙的附着物为白色的氧化膜和灰色的即将脱落的塑性变形层，并在冲蚀坑底部的塑性变形层上有大量显微裂纹存在，而没有明显的冲刷磨痕，表明在局部磨损坑的台阶处是以撞击磨损为主，其失效的微观机制是氧化膜和塑性变形层的撞击脱落。大量颗粒长时间地反复撞击还会引起台阶处金属表面的疲劳现象，基体金属疲劳后更易促进塑性层的产生。图5是局部磨损坑边缘斜面(图2中F区)磨损的微观形貌，在低倍和高倍下观察，均未看到明显的冲刷或撞击痕迹，说明在局部磨损坑边缘的斜面上磨损较轻。并且可以看到氧化膜较多，呈连续的网状分布，致密的氧化膜有效保护了斜面上的金属免受磨损，而斜面上磨损较轻也使氧化膜得以存在，两者互为条件。所以，磨损坑边缘斜面的失效机制为氧化膜缓慢地破碎脱落。斜面磨损非常轻微，使局部磨损区在宽度上进展缓慢，而坑槽底部的冲刷磨损和下部的撞击磨损速度较快，使局部磨损区向深度上快速发展，从而最终形成上述磨损深内部资料，仅供参考-12-坑的宏观形貌。(a)(b)图5局部磨损坑斜面磨损的微观形貌(SEM)(a)低倍形貌；(b)高倍形貌综上所述，CFB锅炉水冷壁局部磨损的形成过程是：当涡流在局部区域形成后，以颗粒束形式直接冲蚀不规则管壁金属形成磨痕，磨痕的底部主要受冲刷磨损，氧化膜存在较少，磨损速度较快。颗粒束继续下行遇到凸起或凹陷形成的平面时变向飞出，造成对平面的撞击磨损，撞击磨损反复进行便形成局部磨损坑的台阶。撞击还在磨损台阶上形成冲蚀坑和塑性变形层，大量、反复的撞击引起台阶上金属的疲劳，并使塑性变形层和氧化膜产生显微裂纹。颗粒变向飞出时将开裂的塑性变形层和高温氧化膜一起冲刷掉，并在台阶上形成细小的冲刷磨痕。而在磨痕的侧面，也就是局部磨损坑边缘的斜面上，经受的冲刷和撞击磨损要轻微得多，磨损速度最慢。对局部磨损微观形貌的观察还可以看出，局部磨损坑在长度(高度)方向的磨损量要比深度方向大很多(见图1和图2)。这是因为深度方向的磨损量主要由底部的冲刷磨损造成，长度方向的磨损量主要由下部台阶上的撞击磨损造成，而颗粒每对底部造成一次冲刷，也相应地对下部造成一次撞击，因此，相对于磨痕底部的冲刷磨损来说，下部台阶上的撞击磨损速率要快得多。也就是说，对于循环流化床锅炉水冷壁管(一般为低碳钢或低合金钢)来说，其经受低攻击角颗粒冲刷磨损的能力要强于受高攻击角颗粒撞击磨损的能力。这可用能量观点来解释：颗粒以一定角度与基体相撞时，损失的动能一部分转变为被撞基体和颗粒的热量外，其余部分造成基体的磨损，当颗粒以大角度或接近垂直地对基体进行冲蚀时，其动能损失是最大的，这时对基体的冲击和磨损也最严重。在磨损坑的底部和斜面上都可以看到局部磨损形成的小平面，而在下部的台阶上并不存在，这与台阶处主要受撞击磨损有关。4“微区凿削”磨损机理通过对CFB锅炉水冷壁局部磨损宏观和微观形貌的观察与分析，提出一种“微区凿削”的冲蚀磨损模型。这种冲蚀模型仍然包括撞击和冲刷，形成撞击和冲刷的物料流是局部涡漩流，涡漩流形成后持续运行，使磨损反复进行。“微区凿削”磨损在短时间内即可形成小而深的磨蚀坑，磨蚀坑的底部、下部和两侧磨损失效的微观机制各不相同。内部资料，仅供参考-13-磨蚀坑底部磨损失效的微观机制为冲刷-切削-撞击-剥落，即以相对管壁冲击角较小的颗粒微观切削为主，以冲击角较大颗粒的撞击剥落为辅。微观切削以大量运动方向相同的颗粒束的冲刷方式进行，冲刷后形成互成一定角度的磨损小平面，小平面不断被破坏又形成，如此反复便形成磨损。底部的磨损过程中还存在部分冲击角较大颗粒的撞击，撞击颗粒压入后，首先使底部金属表面产生弹性变形，当压力达到材料的屈服极限时便产生塑性变形层，塑性变形层和高温氧化膜一起在颗粒冲刷和撞击下很快剥落。虽然这种塑性变形层和氧化膜在局部磨蚀坑底部的磨损中所占比例很少，但其危害很大，被冲刷掉后露出新的基体会大大加快磨损速度。磨蚀坑下部磨损失效的微观机制是撞击-疲劳-塑性变形-表面微裂纹-冲刷-脱落。粒子束冲刷下行遇到不规则管壁平台时，形成对平台的撞击磨损，当颗粒撞击压入后，首先使平台表面产生弹性变形，反复冲击后会使金属材料表面发生疲劳，塑性下降。当塑性下降到某一粒子撞击时产生的弹性变形量不足以抵抗粒子压入深度后，就会在压痕四周出现一薄层塑性变形层，再经颗粒撞击，塑性变形层就会萌生许多径向裂纹，其后会在压痕下出现张应力及压应力，张应力又促成横向裂纹的产生。在颗粒反复撞击下裂纹进一步萌生、扩展、闭合，然后在颗粒变向飞出时与台阶表面平行的分速产生的冲刷作用下，逐渐使塑性变形层破碎或整片脱落，材料表面产生微小凹坑而形成磨损。所以，磨蚀坑下部台阶处的磨损是以撞击磨损为主，冲刷磨损为辅，磨损速率非常快。磨蚀坑侧面磨损失效的微观机制是冲刷和撞击作用下氧化膜的缓慢脱落，因而其磨损速度也比较慢。上述三种形式的磨损机制综合起来即产生一种“凿削”效果，短时间内就会在局部产生小而深的磨蚀坑，而且磨损量大小与冲蚀条件(如颗粒速度和撞击角度)密切相关。此外，炉膛水冷壁管表面有截面突变时，比如凸台或凹陷，突变部位会影响气流速度，凸台使气流速度降低，凹陷处气流速度更低，气流速度较低的区域会吸引直径较大的颗粒，所以，根据Tilly的非刚体颗粒破碎的二次冲蚀理论[9，10]，在CFB锅炉水冷壁的局部磨损区还应有大直径颗粒破碎后的二次冲蚀。而事实上，在循环流化床炉膛内的固体颗粒，除了惰性床料粒径较小，再次破碎的可能性较小外，燃料和脱硫剂都是处于不断的破碎中。尤其是燃料，在燃烧的整个过程中，含碳量较高的煤块和煤矸石在温度剧升的燃烧过程或碰撞中，会爆裂成若干小块，从而造成对局部磨损区的二次冲蚀磨损。如果煤的成灰性不好，可磨性系数又较小，并且煤矸石含量较多，会使灰粒棱角多且锋利，从而使二次冲蚀磨损的速率也大大加快。5结论(1)引起CFB炉管快速磨损爆管的原因不是由炉内颗粒长距离“刨削”或“犁削”作用造成的均匀的、大面积冲蚀磨损，而是局部的“微区凿削”磨损。(2)“微区凿削”磨损是高攻击角颗粒撞击磨损与低攻击角颗粒冲刷磨损结合的局部冲蚀磨损，并兼有非刚体颗粒破碎的二次冲蚀，短时间内即可在管壁上形成小而深的磨蚀坑。(3)局部磨蚀坑下部台阶磨损失效的微观机制是撞击-疲劳-塑性变形-表面微裂纹-冲刷-脱落，磨损速度最快；底部磨损失效的微观机制为冲刷-切削-撞击-剥落，磨损速度较快；边缘斜面的失效机制为氧化膜缓慢地破碎脱落，磨损速度最慢。内部资料，仅供参考-14-参考文献[1]马增益,严建华,潘国清,等.惯性分离器对循环流化床顶部受热面磨损的影响[J].锅炉技术,2000,31(6):12~13[2]张建胜,吕俊复,岳光溪,等.循环流化床锅炉的发展现状及前景[J].锅炉制造,1999,3:1~5[3]张同,张春柳,李子明.循环流化床锅炉的磨损问题[J].华东电力,1999,3:42[4]薛希群.循环流化床锅炉磨损分析及对策[J].电力自动化设备,2003,23(1):82~84[5]刘春湖,张玉军.CFB受热面磨损问题的治理[J].节能技术,2000,18(4):38~39[6]刘德昌,吴正舜,张世红,等.我国循环流化床锅炉的发展现状和建议[J].动力工程,2003,23(6):2377~2379[7]周一工.国外大型循环流化床锅炉的发展与存在问题[J].黑龙江电力技术,1999,21(1):40~43[8]吕俊复,吴恩旭.国产75t/h循环流化床锅炉现状及其发展前景[M].循环流化床锅炉学术交流会论文选编,桂林,1993:166[9]TillyG.P.ATwoStageMechanismo