锅炉水冷壁管表面缺陷原因.doc

1、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

2、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

3、 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

4、 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 1015 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

5、 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 ，

6、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 ，

7、 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

8、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

9、， 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

10、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

11、 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 。

12、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

13、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

14、渣 的 锅 炉 上 ， 燃 用 含 硫量 高 的 煤 粉 。自 由 硫 原 子 的 产 生 ： FeS2 FeS+S2H2S + SO2 2H2O +3SFe+ S FeS形 成 氧 化 铁 ： 3FeS+5O2 Fe3O4 + 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

15、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

16、 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 1040 区 域 （ 高 酸 浓 度 腐 蚀 区 ）

17、 。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

18、 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

19、 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

20、 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 ，

21、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

22、 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+ 3Fe Fe3O4 + 8

23、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 + Fe3C 3Fe + CH4氢 分 子 和 钢 中 的 游 离 碳 发 生 反 应 ： 2H2 + C CH4氢 原 子 和 钢 中 的 碳 发 生 反 应 ： 4H + C CH4CH4 体 积 大 得 多 ， 它 在 晶 粒 内 产 生 巨 大 的

24、 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

25、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

26、 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

27、 Fe - 2e Fe2+ 阴 极 2H+ + 2e H2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

28、 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

29、 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

30、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

31、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 现 象 称 为 腐 蚀 疲 劳 。 常 发 生 在 水 冷 壁 和 省 煤 器 上 。(1) 失 效 机 理锅 炉 的 受 热 面 管 子 的 某 些 部 位 ， 由 于 承 受 交 变 应 力 ， 在 这 种 热 应 力 作 用 下 产 生 低 周疲 劳 ， 同 时 管 子 又 在 腐

32、 蚀 介 质 （ 即 炉 水 ） 的 长 期 作 用 下 ， 与 水 接 触 的 金 属 表 面 上 的 保 护膜 会 被 这 种 交 变 应 力 所 破 坏 ， 特 别 容 易 在 有 缺 口 （ 如 腐 蚀 坑 ） 的 地 方 发 生 电 化 学 不 均 一性 ， 导 致 局 部 腐 蚀 ， 优 先 产 生 腐 蚀 裂 纹 ， 导 致 金 属 的 破 裂 。(2) 失 效 特 征宏 观 特 征 ： 断 裂 表 面 有 腐 蚀 痕 迹 ， 通 常 是 厚 边 缘 ， 外 壁 有 氧 化 皮 ， 裂 纹 在 炉 管 水 侧内 壁 保 护 膜 的 破 裂 处 萌 生 和 长 大 ， 裂 纹 长

33、大 方 向 与 最 大 主 应 力 方 向 垂 直 ， 裂 纹 尖 端较 钝 ， 通 常 有 多 条 裂 纹 。组 织 性 能 特 征 ： 裂 纹 除 了 有 一 条 主 裂 纹 外 ， 同 时 存 在 多 条 分 支 裂 纹 ， 裂 纹 周 围 有 腐蚀 产 物 ， 强 度 降 低 。3.3.2 烟 气 侧 腐 蚀 疲 劳烟 气 侧 腐 蚀 疲 劳 常 发 生 在 水 冷 壁 和 过 热 器 管 。(1) 失 效 机 理锅 炉 管 遭 受 低 周 （ 由 启 停 引 起 的 热 应 力 ） 、 中 周 （ 由 汽 膜 的 反 复 出 现 和 消 失 引 起的 热 应 力 ） 和 高 周 （

34、由 振 动 引 起 的 ） 交 变 应 力 ， 烟 气 侧 腐 蚀 性 介 质 （ 如 硫 、 碱 、 矾 、 氯等 ） 促 进 了 损 坏 。(2) 失 效 特 征宏 观 特 征 ： 在 向 火 侧 产 生 裂 纹 ， 裂 纹 沿 管 圆 周 发 展 ， 局 部 区 域 往 往 有 很 多 相 互 平 的疲 劳 裂 纹 ， 由 外 壁 向 内 壁 发 展 ， 裂 源 处 熔 盐 和 煤 灰 沉 积 。组 织 性 能 特 征 ： 裂 纹 短 而 粗 ， 充 满 腐 蚀 产 物 ， 走 向 为 穿 晶 型 ， 裂 纹 处 金 属 组 织 球 化 。3.4 磨 损炉 管 因 灰 粒 高 速 冲 击

35、 管 壁 金 属 而 磨 损 ， 磨 损 最 主 要 的 部 位 是 高 温 段 省 煤 器 的 烟 气 入口 和 出 口 处 ， 过 热 器 和 再 热 器 入 口 处 的 弯 头 ， 出 列 的 管 子 ， 燃 烧 器 附 近 的 水 冷 壁 管 也 易发 生 磨 损 。向 火 面 管 磨 损 机 理悬 挂 在 锅 炉 炉 膛 和 尾 部 烟 道 内 的 受 热 面 ， 直 接 受 到 含 尘 烟 气 的 冲 刷 ， 特 别 是 在 易 形成 烟 气 走 廊 的 部 位 和 烟 气 转 弯 处 ， 受 热 面 管 束 被 冲 刷 而 减 薄 的 趋 势 更 为 明 显 。磨 损 有 飞 灰

36、 磨 损 和 机 械 磨 损 ， 以 飞 灰 磨 损 为 主 ， 磨 损 与 炉 型 结 构 、 受 热 面 布 置 方 式 、烟 气 流 速 、 制 造 安 装 质 量 、 煤 灰 特 性 、 烟 气 含 尘 浓 度 等 多 种 因 素 有 关 ， 它 主 要 表 现 在 受热 面 结 构 布 置 或 烟 气 通 道 被 积 灰 阻 塞 造 成 局 部 流 通 阻 力 小 ， 管 夹 烧 损 、 变 形 后 出 现 管 排散 乱 、 出 列 ， 会 形 成 烟 气 走 廊 造 成 局 部 烟 速 过 大 ， 还 有 管 排 错 列 布 置 、 设 计 烟 速 高 或 运行 中 采 用 过 大

37、 的 过 剩 空 气 量 而 使 烟 速 过 高 等 。3.5 质 量 控 制 失 误 （ 含 外 力 影 响 ）质 量 控 制 失 误 是 指 制 造 、 安 装 、 运 行 中 由 于 外 界 失 误 等 因 素 所 造 成 的 损 坏 。材 质 问 题 在 受 热 面 爆 漏 中 最 为 常 见 ， 一 方 面 是 人 为 因 素 造 成 的 ， 如 在 设 计 中 选 材 不当 ， 制 造 、 安 装 、 检 修 中 工 作 责 任 心 不 强 ， 检 查 不 严 ， 造 成 错 用 材 质 ， 或 材 料 管 理 有 漏洞 ， 错 发 钢 材 等 。 另 一 方 面 是 材 质 本

38、身 有 缺 陷 ， 如 在 冶 炼 、 轧 制 、 制 造 、 运 输 、 安 装 或检 修 过 程 中 ， 造 成 机 械 损 伤 、 有 重 皮 、 折 叠 、 裂 纹 、 壁 厚 不 均 ， 以 及 机 械 性 能 和 化 学 成分 不 合 格 ， 或 者 在 使 用 中 设 备 布 置 不 合 适 ， 均 会 造 成 向 火 面 管 的 缺 陷 或 失 效 。四 实验材料及方法4.1 实验材料和设备4.1.1 实验材料扬 子 石 化 烯 烃 厂 某 锅 炉 水 冷 壁 管 ， 其 材 质 为 20G,及 标 准 锅 炉 用 钢 。 对 一 段 管 材 进行 线 切 割 ， 得 到 向

39、火 面 和 背 火 面 不 同 表 面 状 况 试 件 。4.1.2 实验设备M-2T 金相试样预磨机、XQ-2 金相试样镶嵌机、P-1 金相试样抛光机、OLYMPUS 金相显微镜、HV-10B 型小负荷维氏硬度计及洛式硬度计、直读光谱仪、XRD、拉伸试验机等。4.2 实验工艺流程4.2.1 宏 观 检 查以 肉 眼 检 查 为 主 ， 观 察 炉 管 缺 陷 及 完 好 处 的 形 貌 ， 观 察 管 子 磨 损 、 腐 蚀 、 结 垢 、管 壁 减 薄 情 况 并 进 行 照 相 ， 从 中 发 现 异 常 工 况 及 使 用 不 当 的 各 种 痕 迹 。 对 爆 管 进 行尺 寸 测

40、量 ， 使 用 游 标 卡 尺 对 缺 陷 尺 寸 、 管 壁 厚 度 、 管 径 胀 粗 、 裂 纹 的 长 度 等 进 行 尺 寸测 量 。4.2.2 垢 样 化 学 分 析对 腐 蚀 、 结 垢 、 结 焦 较 严 重 的 管 子 取 样 进 行 能 谱 和 XRD 分 析 试 验 ， 检 验 腐 蚀 产 物 、垢 成 分 、 灰 成 分 ， 确 定 腐 蚀 类 型 等 。4.2.3 材 料 成 分 分 析采 用 化 学 方 法 、 光 谱 分 析 等 手 段 ， 鉴 定 管 子 的 材 料 成 分 是 否 符 合 要 求 ， 必 要 时 做 微量 有 害 元 素 分 析 或 微 区 电

41、 子 探 针 分 析 。 本 文 的 试 验 采 用 直 读 光 谱 仪 对 材 料 进 行 成 分 分 析 。4.2.4 金 相 分 析（ 1） 在 缺 陷 处 和 管 子 的 完 好 部 位 比 较 进 行 金 相 试 验 ， 应 重 点 检 查 缺 陷 边 缘 的 组 织 的形 态 、 分 布 。（ 2） 观 察 组 织 中 是 否 出 现 裂 纹 ， 分 析 带 小 裂 纹 的 试 样 了 解 细 微 结 构 和 裂 纹 的 关 系 ，产 生 微 小 裂 纹 的 机 理 。（ 3） 缺 陷 边 缘 和 缺 陷 金 相 组 织 中 内 是 否 存 在 氧 化 物 、 夹 杂 物 裂 纹

42、， 组 织 中 是 否 有脱 碳 现 象 。（ 4） 观 察 向 火 面 外 表 面 、 内 表 面 和 背 火 面 金 相 组 织 中 的 珠 光 体 是 否 发 生 球 化 现 象 ，对 照 球 化 评 级 图 判 断 球 化 等 级 ， 进 而 分 析 缺 陷 原 因 是 否 是 由 于 高 温 等 原 因 造 成 。（ 5） 晶 粒 度 、 显 微 组 织 是 否 正 常 。（ 6） 对 于 蠕 变 损 伤 、 腐 蚀 裂 纹 、 应 力 断 裂 、 腐 蚀 疲 劳 、 磨 损 等 类 型 的 失 效 ， 采 用 金相 分 析 方 法 可 直 接 取 得 判 定 缺 陷 原 因 的 结

43、 果 。使 用 金 相 显 微 镜 ， 按 照 DL/T884-2004 火 力 发 电 厂 金 相 检 验 与 评 定 技 术 规 程 及 DL/T551-94 低 合 金 耐 热 钢 蠕 变 孔 洞 检 验 技 术 工 艺 导 则 进 行 试 验 ， 对 失效 管 子 的 微 观 组 织 形 貌 、 微 观 缺 陷 进 行 检 查 。4.2.5 机 械 性 能 试 验根 据 管 子 爆 破 的 特 点 进 行 力 学 性 能 试 验 ， 鉴 定 机 械 性 能 指 标 。 室 温 拉 伸 试 验 在 万 能拉 伸 试 验 机 上 ， 按 照 GB229-2002 金 属 材 料 室 温 拉

44、 伸 试 验 方 法 进 行 试 验 ， 采 用 标准 试 样 ， 纵 向 切 取 。 判 定 材 料 的 抗 拉 强 度 是 否 符 合 标 准 要 求 。 用 硬 度 计 对 炉 管 各 个 部 位进 行 硬 度 测 量 ， 检 验 管 子 的 硬 度 下 降 情 况 ， 判 断 材 料 的 老 化 状 态 。五 实验结果讨论与分析5.1 腐 蚀 管 宏 观 形 貌 观 察 与 分 析锅 炉 用 水 冷 壁 管 材 质 为 20G， 规 格 ： 外 径 63mm， 内 径 53mm， 炉 管 厚 度 5mm， 为 膜 式水 冷 壁 结 构 。 图 1为 锅 炉 水 冷 管 壁 向 火 面

45、， 图 2为 背 火 面 。 对 缺 陷 路 管 进 行 检 查 ， 发 现缺 陷 处 均 位 于 向 火 侧 ， 外 观 为 不 规 则 凹 凸 不 平 的 浅 坑 ， 图 3为 缺 陷 切 割 试 样 ， 可 以 看出 ， 其 外 表 面 凹 陷 时 相 应 内 表 面 凸 出 ， 反 之 亦 然 ， 凹 凸 不 平 的 变 形 具 有 很 强 的 受 力 后变 形 的 特 征 。 经 观 察 没 有 在 缺 陷 处 发 现 典 型 的 凿 槽 型 ， 周 围 管 径 没 有 胀 粗 ， 管 壁 无明 显 减 薄 。 在内外壁均未观察到由于犁削条纹或裂纹、切片等痕迹， 但在炉管向火面外侧存

46、在不同程度的腐蚀，腐蚀产物未知。炉管内部没有发现水垢等物质，可以基本排除碱腐蚀的可能。图1 图2图35.2 垢 样 化 学 分 析炉管内壁垢层与外壁氧化膜的能谱分析结果，如表 1 所示。表 1 内壁垢层和外壁氧化膜能谱分析结果编号 能谱分析结果（wt%）外层 C：0.24，O：8.64，Mg：17.86，P：18.32，Ca：10.79，Ti：0.72；Mn：2.62，Fe：39.78，Zn：1.03中间层 C：0.21，O：6.59，Mg：3.53，P：9.94，Ca：10.16，Ti：0.78；Mn：2.13，Fe：64.22，Zn：2.43内壁垢内层 C：0.12，O：4.89，Mg：1

47、.40，Si：0.25，P：2.05，Mn：0.85，Fe：89.11，Zn：1.34外层 C：0.13，O：4.74，Si：0.41，S：13.01，Ca：6.26，Mn：0.46，Fe：66.62，Ni：4.55，Cu：3.81中间层 C：0.13，O：2.61，Si：0.53，S：18.52，Mn：0.67，Fe：65.83，Ni：2.47，Cu：9.24外壁氧化膜内层 C：0.12，O：4.08，Si：0.62，S：6.87，Mn1.10，Fe：86.54，Ni：0.67Element Wt% At%CK 00.24 00.68OK 08.64 18.33MgK 17.86 24.94

48、PK 18.32 20.07CaK 10.79 09.14TiK 00.72 00.51MnK 02.62 01.62FeK 39.78 24.18ZnK 01.03 00.54管内壁垢层能谱分析结果(外层)Element Wt% At% Element Wt% At%CK 00.21 00.73 CK 00.12 00.46OK 06.59 17.23 OK 04.89 14.70MgK 03.53 06.08 MgK 01.40 02.76PK 09.94 13.42 SiK 00.25 00.43CaK 10.16 10.60 PK 02.05 03.18TiK 00.78 00.68

49、MnK 00.85 00.75MnK 02.13 01.62 FeK 89.11 76.73FeK 64.22 48.08 ZnK 01.34 00.98ZnK 02.43 01.55 内壁垢层能谱分析结果(中间层) 管内壁垢层能谱分析结果(内层)Element Wt% At% Element Wt% At%CK 00.13 00.48 CK 00.13 00.50OK 04.74 13.34 OK 02.61 07.58SiK 00.41 00.66 SiK 00.53 00.88SK 13.01 18.26 SK 18.52 26.88CaK 06.26 07.03 MnK 00.67 00.56MnK 00.46 00.38 FeK 65.83 54.86FeK 66.62 53.68 NiK 02.47 01.96NiK 04.55 03.48 CuK 09.24 06.77CuK 03.81 02.70 管外壁氧化膜能谱分析(外层) 管外壁氧化膜能谱分析(中间层)Element Wt% At%CK 00.12 00.48OK 04.08 12.26SiK 00.62