浅析电厂锅炉受热面主要失效型式

张雪然+蒋同军+蒋同香++马广强

摘 要：本文总结归纳了电厂锅炉受热面的主要失效型式，分析了各失效型式产生原因。在今后的受热面失效工作中能够快捷准确的判断其失效类型，为电站的安全运行总结经验并提供借鉴。

关键词：电厂锅炉；失效型式；失效原因

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.166

失效的类型比较复杂，分类很多。但针对电站锅炉工作环境的特殊性，大致存在以下几种类型：过量变形失效、疲劳失效、腐蚀失效、蠕变失效、磨损失效、脆性断裂失效、塑性断裂失效等。

1 锅炉受热面主要失效机理

在长期高温高压和介质的作用下，由于几种失效机制的同时作用，往往各个部件都存在几种不同的损伤形式。美国EPRI（电力研究院）提供了涉及锅炉各部件失效型式和损伤机理的表格[1]，对全面了解锅炉的失效很有参考价值，如下表所示。

2 超临界机组的材料主要失效型式

（1）过量变形失效。部件承受的载荷增大到一定程度，变形量超过设计的极限值，部件原有的功能被破坏从而失效。过量变形失效又可分为以下两类：过量塑性变形失效和过量弹性变形失效；（2）疲劳失效。在工作过程中部件承受交变载荷或循环载荷的作用，会使部件内部产生应力，这种情况下产生的应力称为交变应力。疲劳断裂就是指在这种交变应力的作用下发生的断裂现象。部件在疲劳载荷的作用下，其应力水平低于材料的抗拉强度，有时也低于材料的屈服强度。疲劳断裂也有一个时间过程，即裂纹的萌生、裂纹的扩展和最终的瞬时断裂三个阶段。一个典型的断口都是由这三个部分组成的，其具有典型的“贝壳”或者“海滩”状条纹；（3）腐蚀失效。金属材料因周围环境介质的化学与电化学作用而产生的损伤叫腐蚀失效。部件的腐蚀损坏表现为失重、材料表面完好状态的破坏和生产裂纹。常见腐蚀失效有以下几种主要类型：高温氧化；低熔点氧化物的腐蚀（高温腐蚀）；烟气腐蚀；应力腐蚀；点蚀或孔蚀；垢下腐蚀；氢腐蚀；（4）蠕变失效。金属材料在恒应力长期作用下而发生的塑性变形现象称为蠕变。在任何温度范围内蠕变都可以发生，只不过温度高变形速度大而已。过热失效是材料在一定时间内的温度和应力作用下而出现的失效形式，它是蠕变失效在电站锅炉高温部件的具体表现形式；（5）磨损失效。决定磨损方式的因素：零件处于的运动学、动力学状态，其表面的几何形貌和转配质量，零件的使用工况及其处于的环境状态，零件材质的状态，摩擦副材料的匹配情况，以及材料在磨损过程中的变化等。磨损分成五类：粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损和表面疲劳磨损[2]；（6）脆性断裂失效。材料的韧性急剧下降，而其他力学性能变化不大的现象称为材料的脆性。几乎不存在塑性变形，断裂过程极快而吸收能量极低的突发性破坏现象称为部件的脆性断裂。只有处于脆性状态的零件才能发生脆性损坏。产生脆性断裂的加载条件是：静载或冲击；（7）塑性断裂失效。当部件所承受的应力大于材料的屈服强度时，会发生塑性变形。如果应力进一步增大，就有可能发生断裂，这种失效叫做塑性断裂失效。一般发生于静力过载或大能量冲击的恶劣工况情况下[2]。

3 失效案例分析

（1）热疲劳失效案例。海南某电厂6号炉高温再热器集汽联箱大修时发现疏水管管座接头角焊缝开裂泄漏，联箱管孔周围存在多条放射状宏观裂纹，其中三条已穿透联箱壁厚，此外，在角焊缝熔合线处还有一条断续的周向裂纹。取样检查发现管孔处联箱内壁有大面积的泥状龟裂。6号炉型号为SG420/140-M418，再热蒸汽压力和温度为2.26MPa和540℃。该炉累积运行22000小时，启停75次。该联箱开裂属于典型的腐蚀性热疲劳；（2）交变应力的腐蚀疲劳失效案例。山西某电厂130t/h的П-130型锅炉，过热器出口温度为420℃，压力为3.33MPa。1956年投运，至1987年底小修时发现主蒸汽管弯头外弧侧泄漏，有一条80mm长的环向裂纹。至此该机组累计运行199000h，启停2456次。主蒸汽管道的材料为20A，规格为φ325×10mm。失效分析表明：因停炉保护不当，在弯头处由凝结水产生腐蚀；支吊架失效应力增大；启停炉频繁产生的交变应力导致的腐蚀疲劳失效[2]；（3）磨损失效案例。某热电厂220T/H循环流化床锅，由于其工作机理所致，燃用0～8mm 煤粒，在燃烧过程中，冲刷、磨损锅受热面，造成受热面泄漏。从发生磨损爆管部位来看，主要表现在水冷壁、水冷屏、过热器、省煤器吊挂管、浇注料脱落后管子外露处等；（4）焊缝材料强度不足引起的失效案例。2004年9月12日，山西某电厂6号机主蒸汽管道（标高4.5m处）流量孔板焊缝在运行中沿环向爆裂分为两半。断裂面呈灰蓝色，断面粗糙起伏，断口裂纹弧长168mm。主蒸汽管道规格为Ф273×28mm，材料为10CrMo910。流量孔板环室的内、外直径为Ф334mm和401mm，材料为12Cr1MoV。Ⅱ位置焊条为TRCr1MoV-X。6号炉于1999年3月投运，主蒸汽管道运行温度532℃，压力8.9MPa。流量孔板焊缝爆裂的主要原因是焊缝材料错用为碳钢，高温强度明显不足。

4 结论

近几年来我国投产的一些电站，锅炉各受热面长期在高温、高压的环境下运行，随着时间的延长其材料会出现材质劣化，造成部件失效。本文阐述了锅炉受热面主要失效形式及失效特点，并列举了常见失效型式案例，希望能够为电厂机组的安全运行提供一些借鉴。

参考文献：

[1]张磊，陈媛等.超（超）临界机组焊接技术与工艺评定[M].北京：中国电力出版社，2014.

[2]张雪然，张磊.超临界机组电厂锅炉高温受热面失效分析[J].华东电力，2013，41（06）：1390-1392endprint