锅炉受热面管的材料失效与老化分析

由庆健

（华能烟台发电厂，山东 烟台 264000）

过热器管、再热器管、水冷壁管、省煤器管（简称炉内四管）等部件是锅炉内部的主要结构件，长期在恶劣的环境介质中运行，会发生一系列材料组织与性能的变化，涉及蠕变、疲劳、腐蚀、冲蚀等复杂的老化与失效机理。大多数高温锅炉管的失效是由于强度降低到一定水平后,不能满足设计的强度需求而开裂或泄漏。炉内四管爆漏问题长期以来一直是火电厂机组强迫停机的主要原因，因此，在了解材料老化规律的基础上，确认失效运营和机理，才可能较准确地对炉管寿命做出预测，并做出相应的预防措施。

1 高温锅炉管使用和失效特点

高温锅炉失效的类型很多，失效机理也非常复杂，普遍存在蠕变、疲劳、腐蚀、冲蚀等机理的交互作用现象。近几年的研究认为，金属材料中的碳化物相，是构成金属材料较高强度的基础，碳化物相的一系列变化过程代表了材料老化过程。碳化物相的变化主要有三个方面组织形态改变、相成分改变、钢中的多种碳化物在使用过程中将发生结构改变。随着金属分析测试技术的发展，上述老化特征均能够定量地给出测试结果，可以定量地掌握材料的老化程度，当运行时间已知时，则可推导出材料老化的平均速度，由此可直接估算材料的寿命。

2 碳化物的球化

从热力学角度出发，钢中珠光体组织的碳化物为片层状，这种组织形式属于亚稳定结构状态，有转变为稳定化结构的趋势，高温下转变很明显。因此，球化过程可以描述成扩散控制的热力学反应过程。

影响扩散的主要因素是温度。对一般扩散控制的变化过程，其过程变化速度V都具有Arrhenius方程形式：V=aexp（-一般，过程变化的速度越快，过程所经历的时间越短，过程速度v与过程时间t成反比，有：vt=C②，C为常数，球化速度越快，则达到某种程度球化的时间越短，因此①可改写为③。式中，A、b为球化系数，当成分一定时，其激化能Q(或b)是常数，A值大小也仅与球化程度有关，为常数。这样，达到某种程度球化所需的时间t仅与温度有关，由于球化程度不同，A值也不同，则对不同球化程度X，有普遍方程式④，球化程度可用球化级别近似表示，即对 12Cr1MoV钢，X=1,2，……，5（ 分 5级）。 温度稍升高一点，达到某种程度球化所需要的时间会呈指数形式急剧减少，可见超温对球化的影响极大，从实际情况分析，若在短时间内球化发展到严重变化程度，一般认为是存在明显超温所致，这一规律表明上述理论模型是符合实际的。若对式④求对数则⑤该式表明，球化到某种程度的对数时间lntX与温度的倒数1/TX呈线性关系。在不同温度下测定达到某种程度球化的不同时间值，可以统计出该材料某种状态下的b值和A值。将式⑤改写为⑥则可看出若该材料的b值和AX值已知，由球化时间tX求出此时的球化温度TX，这一温度代表了金属实际使用温度，由此可预测锅炉管的老化程度和使用寿命。

3 碳化物相的成分变化

电厂常用的Cr-Mo、Cr-Mo-V钢在长期使用中，其合金元素将发生再分配现象，通常又称为固溶体中合金元素的贫化现象。其特点是：因溶体中合金元素的含量逐渐减少，碳化物中的合金元素的含量逐渐增加，于是固溶体中合金元素逐渐贫化，钢的蠕变和持久强度降低。随运行时间的增长，合金元素从固溶体中迁移到碳化物中去，钼元素的贫化（即减少）最为厉害，钒元素的变化则较缓慢。12Cr1MoV钢在510℃时，钼元素从固溶体中析出，铬元素几乎不变。随温度升高，铬和钼析出的量逐渐增加，当温度升高到565℃时，铬和钼元素含量显著增多。这表明存在碳化物相成分明显改变的临界温度限，超过这一温度，碳化物中的合金元素不增反降，这是碳化物相成分变化的一个特殊现象。这一现象可用于分析锅炉管超温状况，与原始或正常运行的管段样品相比，超温管段的碳化物相成分如果不增加甚至下降，则可认为其超温程度已相当严重。

4 碳化物相结构的变化

高温环境下长期使用，碳化物相的结构形式也发生一系列变化，由简单的M3C等碳化物转变为复杂结构的M23C、M6C等碳化物相，相结构的变化现象是描述材料老化的另一重要特征。以某电厂12Cr1MoV钢过热器管碳化物相结构变化的实例，来研究碳化物相结构的变化规律。

原始未运行样品的碳化物相主要由M3C碳化物组成，即主要组成相为M3C+MC+M2C，M3C相晶体比较完整，其余各项的含量很少，M23C相含量﹤10%，M6C相含量为0，表明材料的原始状态为未出现老化的碳化物相组成结构。

样品显微组织为三级球化时，碳化物相的主相变为M3C+MC+M23C6，M3C相含量减少明显，晶体出现不完整性，MC相含量增多，表明晶内有大量新生MC相析出，伴有明显的粒子长大行为。

样品显微组织为四级球化时，碳化物相的主相进一步变为M3C+MC6，MC相大量增多而取代M3C相成为第一主相，M3C相的量则减少到低于30%，表明已发生明显的材料老化，此时的显微结构仍属弥散强化机理控制的较正常状态。MC相的晶粒继续长大，晶内碳化物析出和粗化现象进一步强化。

样品显微组织为五级球化时，其主相构成变为MC+M3C+M23C6，与四级球化样相比，MC相和M3C相的含量都有减少，而晶界析出的M23C6相含量则明显增多达20%左右，表明MC相在进一步粗化，而晶界脆性明显增加，表明材料老化已十分明显。

爆管样品的显微组织球化达五级以上，碳化物相的主相为MC+M23C6+M7C3,M23C6相含量进一步增多接近30%，M3C相则由57%减少为11%，成为次要相，MC相晶粒长大现象十分突出，M7C3相大量出现，出现较多M6C相，由此表明，材料的损伤程度已经非常严重。

5 结语

由于高温锅炉管的使用环境是复杂而多变的，老化与失效的基本原因分析，可以发现其组织和性能的变化规律，掌握其老化机理，为锅炉管的寿命管理和维修决策做出科学依据。