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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 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 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。 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。 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