电站锅炉过热器和再热器的失效模式及机理

电站锅炉过热器和再热器的失效模式及机理

本文介绍了锅炉过热器和再热器几种常见的失效模式，包括过热、高温腐蚀、应力腐蚀、氧化皮脱落、疲劳开裂、氧腐蚀等，同时简述了其形貌和机理，希望对于锅炉过热器和再热器的预防失效和失效后处理提供参考。

标签：电站锅炉；过热器；再热器失效模式

1 引言

随着我国经济的快速发展，电力需求日益增加，高压、超临界和超超临界的大型电站锅炉大幅增多。但随着锅炉运行时间增加，受热面爆管问题日渐增多。电站锅炉中过热器和再热器系统是电站锅炉中一个非常复杂的部分，管内是一些温度非常高的水蒸气，而管外是高温烟气，一般情况下，冷却条件都比较差。对于亚临界、超临界锅炉中的过热系统中用的材质众多，结构复杂，很容易有多种损伤失效，其发生爆管的几率比较大[1-5]。为预防过热器和再热器爆管，确保机组稳定运行，相关人员应该掌握过热器和再热器经常发生的失效模式。根据相关文献，本文对过热器和再热器常见的失效模式进行了概述，展示了工作中遇到的各种失效图片，并对其损伤机理进行了阐述。

2 过热器和再热器失效模式

通常情况下，过热器与再热器的工作环境基本一致，并且损伤形式方面也很类似，一般有以下几种：过热、高温腐蚀、应力腐蚀、氧化皮脱落、疲劳开裂和氧腐蚀等。

2.1 过热

2.1.1 短时过热

在实际运行期间，因为存在冷却不完善等一些问题，很容易导致系统短时间内温度迅速升高，甚至达到所用材质的临界温度导致的损伤。

短时过热爆口具有韧性爆口形态，爆口处减薄明显，边缘锋利，表面无明显的氧化皮，附近一般無纵向裂纹（见图1）。距爆口处远的金相组织正常，但是那些距离爆口处比较近则会由于温度的高低不同，使金相组织存在一定的差异。如过热温度比较高，达到材料的Ac1～Ac3温度区间，则靠近爆口处会出现马氏体、贝氏体等过热相急冷生成的组织；而过热温度比较低时，靠近爆口处一般没有淬火组织。

短时过热通常是由于过热器等在正常运行过程中，受到了异物阻塞，这样就会造成管内蒸汽流量出现大幅减少的情况，最终可能会引起爆管。对于集箱中用堵板进行隔离的过热器系统，假如在运行期间，出现了堵板脱落等情况，将会造

成过热器管屏内蒸汽流量减少，最终也会引起过热爆管。

2.1.2 长时过热

长时过热其实就是指管子长时间内壁温超过设计壁温，导致材质严重劣化，从而造成材料的高温持久性能下降，其超温温度较低，通常不会超过Ac1温度[3，4]。

长时过热爆口形貌见图2，其爆口处并没有出现明显的减薄，并且它的开口相对比较小，其表面能够观察到具有氧化皮，一般情况下，爆口附近往往会存在一些纵向裂纹。爆口的主裂纹两侧有大量的蠕变裂纹和蠕变孔洞，蠕变裂纹沿晶界开裂。

有些时候，爆口的形式兼有短时过热和长时过热的特征，并不能完全区分。

2.2 高温腐蚀

过热器和再热器的高温腐蚀主要是硫酸盐型高温腐蚀。在运行过程中，由于煤灰中碱金属含量过高，使迎风面管壁收到长期的高温腐蚀，导致材质裂化和腐蚀减薄[1]。

发生高温腐蚀的管子表面一般存在大量结焦，如图3，去除表面结焦后可以看到，管子外壁存在较厚的棕红色氧化皮，且管子表面存在不规则的沟槽，存在明显局部减薄（见图4）。

当煤质中碱金属（K、Na）含量较高时，灰渣中的钠盐和钾盐在高温下分解并生成硫酸盐、焦硫酸盐，最终形成复合硫酸盐，因其熔点较低，复合硫酸盐在管子表面呈熔融态，捕捉飞灰，导致结焦或结渣，并不断腐蚀管子外壁的氧化皮，形成恶性循环。

2.3 应力腐蚀

应力腐蚀是指受热面在实际工作期间产生较高的应力，混合着管子弯头、焊缝、安装工艺等原因存在残余应力，这些因素都会造成存在非常高的复合应力，在煤灰中氯化物、硫酸盐、氢氧化物等杂质形成的腐蚀环境联合作用下造成的损伤[6]。

应力腐蚀大多是在特定的材料和介质组合下出现的，当受到了这种腐蚀类型的破坏，通常会出现一两个主裂纹，并且主裂纹上还会存在着一些小裂纹。裂纹走向宏观上与拉应力基本垂直，因为只有拉应力才能引起应力腐蚀，裂纹一般起源于部件表面。常见的典型应力腐蚀是奥氏体不锈钢在氯离子中的腐蚀，如图5所示，其爆口处管子无胀粗；内外壁没有氧化皮或氧化皮减薄；管内壁有未裂透的小裂纹，见图6；管子内表面分布着点蚀坑，少量点蚀坑细小而深，成为裂纹源。

在实际加工期间，最容易出现应力腐蚀的部位是那些形状变化非常大的弯头处（特别是在加工之后没有对其进行固溶处理的奥氏体不锈钢，见图7），由于这一部位在加工过程中会出现一定的形变，而且这个区域的运行温度通常处于奥氏体不锈钢的敏化温度范围内，易导致奥氏体不锈钢的晶间贫铬，在腐蚀介质的存在的情况下，很容易出现应力腐蚀，最终会造成管子开裂。

2.4 氧化皮脱落

亚临界或超临界锅炉过热器和再热器的奥氏体不锈钢管内部氧化皮经常脱落，给锅炉设计和使用单位的造成了长期困扰。

锅炉在实际运行期间，金属氧化皮一般都会牢牢地附着在管壁上，然而由于锅炉运行情况非常的复杂，例如频繁启停等，很容易使附着在金属内壁的氧化膜产生开裂，当裂纹达到发生剥落的临界条件时，氧化皮会慢慢地剥落[4，7]。这些剥落的氧化皮假如未能及时地被蒸汽带走，那么将会逐渐的堆积，最终会造成管子蒸汽流通不畅，导致管子由于温度过高而爆炸。奥氏体不锈钢管内氧化皮堆积见图8。金属氧化皮的脱落主要与金属材料性质和温度变化的幅度有关。金属材料和氧化皮的线膨胀系数相差越大、降温速度越快，产生的应力越大，氧化皮开裂脱落的可能性越大，所以奥氏体钢在锅炉启停等变工况下更容易出现氧化皮剥离现象[8]。2.5 疲劳损伤

2.5.1 热疲劳

热疲劳损伤是材料在多次热应力循环后产生的损伤，主要是低周疲劳损伤。在机组负荷波动较大或机组启停，管壁温度反复波动并产生温度梯度，在周期性交变热应力作用下，产生塑性变形和裂纹，进而引发热疲劳损伤。

热疲劳损伤的主要影响因素是管壁内的温度差。温度差越大，热应力越大，越易出现热疲劳损伤。

2.5.2 腐蝕疲劳

腐蚀疲劳是材料在腐蚀介质和交变应力的共同作用产生裂纹引起的损伤，又称为交变应力腐蚀。无论对应力腐蚀敏感还是不敏感材料，都可能发生腐蚀疲劳。腐蚀疲劳产生的裂纹一般不大，很少发生爆口，但是造成的断面粗糙，断面上既有腐蚀产物和腐蚀坑又有疲劳沟纹和疲劳台阶等，兼具腐蚀和疲劳二者的特征，没有收缩减薄现象。

2.6 氧腐蚀

过热器或再热器的氧腐蚀不是常见的失效模式。对于温度较高，湿度较大的环境，一般最容易发生氧腐蚀，受到腐蚀的过热器，通常会呈现出点状破口，见图9。