电站锅炉主要部件的失效

电站锅炉主要部件的失效华北电力科学研究院有限责任公司蔡文河第一节锅炉运行基本工况一、概述锅炉是将煤、油、天然气等燃料或其他热能释放出来的热量，通过金属受热面传递给经净化的水，并将其加热到一定压力和温度的水和蒸汽的连续运行的换热设备。也就是说，在换热过程中，锅炉的金属部件在一定时间内都要受到一定的压力和温度的作用。电站锅炉金属部件运行时的四个重要因素：时间、高温、应力和介质部件工况可分为2类：以温度为主，以应力为主。材料的许用应力的确定－室温抗拉强度、设计温度下的屈服强度、设计温度下持久强度、设计温度下蠕变强度和疲劳强度选取的；也可以分出2大类：温度作用造成的蠕变损伤、没有温度作用的其他损伤第一节锅炉运行基本工况二、电站锅炉主要部件失效类型蠕变、疲劳、蠕变疲劳、侵蚀、腐蚀、磨损、材质老化及其交互作用等；（见资料表1）注：基本情况，异常工况时比较复杂；有助于制造故障树，形成专家系统；失效部位的位置与相邻部件位置的关系；有助于积累数据；有助于金属监督；有助于制订反措；第二节失效分析的意义和作用一、失效分析的概念和特点失效分析的概念（3层含义）失效分析的发展过程失效分析的特点二、失效分析的作用提出预防措施查明责任主体失效分析还可为材质鉴定和在役锅炉的寿命预测提供重要的技术依据失效分析可以积累宝贵数据为制订标准提供依据。失效分析可以为企业提高技术管理水平提供依据。第二节失效分析的意义和作用三、部件失效的统计分析统计分析是宏观分析方法，有关管理部门或领导机构可以从大量的设备事故中进行分类统计，摸清事故规律，找出主要矛盾，最后作出决策。注：1、分类2、计算百分比3、绘制主次图4、列举原因5、制订措施四、失效分析的发展方向五、失效分析的注意事项第三节电站锅炉主要部件的失效型式一、过量变形失效二、疲劳失效三、腐蚀失效四、蠕变失效五、磨损失效六、脆性断裂失效七、塑性断裂失效第三节电站锅炉主要部件的失效型式一、过量变形失效过量变形失效又可分为过量弹性变形失效和过量塑性变形失效其主要影响因素有：1、热冲击：突然升温或降温，产生的热应力。2、部件自重：部件自重可产生永久变形，放置大型部件时应注意合理放置。3、残余应力：存在残余应力的大型部件在高温运行中，由于残余应力发生变化，破坏了原来部件内部的应力平衡，造成永久变形。4、异常工况的影响：如转子超速运行会造成弯曲；主汽门门杆的卡涩会造成门杆变形。5、材料问题：高温材料下降后，会造成起屈服强度下降。如：εИ-723钢螺栓，长期运行，会使汽缸漏汽。6、设计的安全系数不够，会使部件发生变形。第三节电站锅炉主要部件的失效型式二、疲劳失效部件在工作过程中承受交变载荷或循环载荷的作用，引起部件内部的应力叫交变应力。在这种交变应力的作用下发生断裂的现象叫疲劳断裂。疲劳失效种类很多，分类方式极为复杂：按载荷分，有拉伸疲劳、拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳和各种混合受力的疲劳；按载荷交变频率分，有高周疲劳和低周疲劳；按应力大小分，有高应力疲劳和低应力疲劳；在复杂环境条件下还有腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、微振疲劳、接触疲劳等。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。第三节电站锅炉主要部件的失效型式二、疲劳失效第三节电站锅炉主要部件的失效型式二、疲劳失效在疲劳失效分析中，应重视疲劳源产生条件的分析。部件表面或内部凡是造成应力集中的部位均可能成为疲劳源。例如：部件截面发生突变的部位；加工刀痕处或加工中形成的微裂纹；材料表面或内部的夹杂物；腐蚀裂纹诱导出的疲劳裂纹；铸件的疏松处和锻件的白点发纹出；焊接的引弧处和焊接裂纹；运输和安装时的碰撞处；表面处理缺陷处；化学成分的微区偏析处，等。第三节电站锅炉主要部件的失效型式二、疲劳失效1、高周疲劳断裂低应力（σσs），高循环次数（N105）。高周疲劳一般寿命较长，断裂时没有塑性变形，一般也称应力疲劳。高周疲劳一般具有穿晶特征，在裂纹金相试样上，裂纹呈波动状，裂纹中间没有腐蚀介质和腐蚀产物，裂纹尖端往往较尖锐，疲劳条纹间距小。2、低周疲劳断裂高应力（σ≥σs），低循环次数（N＝102～105）。低周疲劳一般寿命较短，断裂时长伴随应变的发生，故也称应变疲劳。断口较为粗糙，断口周围往往有残余宏观变形。断口仍具有逐渐扩展区和瞬时破断区的特征，逐渐扩展区的“海滩”标志部明显或消失。3、高温疲劳断裂4、热疲劳断裂第三节电站锅炉主要部件的失效型式三、腐蚀失效金属材料受周围环境介质的化学与电化学作用而引起的损坏叫腐蚀失效。腐蚀对部件损坏的表现为失重、破坏材料表面完好状态和生产裂纹。常见腐蚀失效的主要类型：1、高温氧化：其氧化反应方程式为：2Me+O2→2MeO（高温下）2、低熔点氧化物的腐蚀（高温腐蚀）劣质燃料中含有V2O5、Na2O、SO3等低熔点氧化物，它们与金属反应生产新的氧化物。这些低熔点氧化物又会与金属表面的氧化物发生反应，生成结构松散的钒酸盐。3、烟气腐蚀（低温腐蚀）－部件温度低于含酸根烟气的露点。含有较高SO2、SO3和CO2的烟气，当遇到较冷的物体（省煤器、空气预热器）时，温度降到烟气的露点以下。部件表面凝结的水膜与中的与SO2、SO3和CO2结合形成酸性溶液，导致锅炉尾部受热面严重的低温腐蚀。第三节电站锅炉主要部件的失效型式三、腐蚀失效4、应力腐蚀应力腐蚀是材料在腐蚀环境中和静态拉应力的同时作用下产生的破裂。它是断裂中最广泛、最严重的一种破坏形式。应力腐蚀的三个特定条件：特定的腐蚀环境、足够大的拉应力和特定的合金成分和结构。应力腐蚀有下列的几个特征：A、裂纹的宏观走向基本上与拉应力垂直。只有拉应力才能引起应力腐蚀，压应力会阻止或延缓应力腐蚀。B、应力腐蚀断裂存在着孕育期。C、产生应力腐蚀的合金表面都会存在钝化膜或保护膜。腐蚀只在局部区域，破裂时金属腐蚀量极小。D、断口呈脆性形貌，裂纹走向为穿晶、沿晶或混合型。裂纹一般起源于部件表面的蚀孔。E、应力腐蚀断裂一般发生在活化－钝化的过渡区的电位范围，即在钝化膜不完整的电位范围内。F、大多数应力腐蚀断裂体系中存在临界应力腐蚀断裂强度因子KISCC。当应力腐蚀断裂强度因子低于KISCC时，裂纹不扩展；大于KISCC时，应力腐蚀裂纹扩展。5、点蚀或孔蚀在构件表面出现个别孔坑或密集斑点的腐蚀称为点腐蚀，又称孔蚀或小孔腐蚀。点腐蚀是一种由小阳极大阴极腐蚀电池引起的阳极区高度集中的局部腐蚀形式。点蚀隐蔽性很强。点腐蚀具有如下特征（见教材）点蚀坑形貌：第三节电站锅炉主要部件的失效型式三、腐蚀失效第三节电站锅炉主要部件的失效型式三、腐蚀失效6、晶间腐蚀：晶间腐蚀是指部件材料的晶界及其邻近部位优先受腐蚀，而晶粒本身不被腐蚀或腐蚀很轻的一种局部腐蚀。不锈钢的晶间腐蚀要比普通碳钢和合金钢较为普遍。7、黄铜的脱锌腐蚀黄铜中的脱锌过程中会存在阳极反应和阴极反应。在阳极反应中，锌、铜同时溶解；在阴极反应中，溶液中的O2和铜离子的还原和再沉积，其结果在脱锌的黄铜表面出现多孔的铜层。8、氧的浓度差电池腐蚀含氧的水溶液中，由于溶解氧的浓度不同而引起的腐蚀称为氧的浓度差电池腐蚀。如水线处易出现腐蚀。氧浓度高的地方为阴极，浓度低的地方为阳极。阳极会受到腐蚀。9、垢下腐蚀由于锅炉给水质量不佳，杂质在高温区的水冷壁管内沉积并形成盐垢，导致此处壁温升高，炉水在沉积物母体中蒸发，使非挥发成分变浓，使垢下的金属材料成为浓差电池和温差电池的阳极，而受到腐蚀。垢下腐蚀实际上是高压水下的电化学腐蚀。第三节电站锅炉主要部件的失效型式三、腐蚀失效10、氢腐蚀氢对金属的作用往往表现在使金属产生脆性，因而有时把金属的氢损伤统称为氢脆。习惯上把氢对钢的物理作用所引起的损伤叫做钢的脆性，而把氢与钢的化学作用引起的损伤叫做氢腐蚀。高压含氧环境中，由于氢原子扩散进入钢中，与钢中的碳结合生成甲烷，使钢出现沿晶裂纹，引起钢的强度和塑性下降的腐蚀现象称为氢腐蚀。第三节电站锅炉主要部件的失效型式四、蠕变失效1、蠕变的概念蠕变是指金属材料在恒应力长期作用下而发生的塑性变形现象。2、蠕变断裂类型A、基本形变型蠕变断裂（M型蠕变断裂）当部件受到大的应力，在较短的时间内发生的蠕变断裂为基本型蠕变断裂。断裂前整个基体发生形变。断裂部位金属流变明显，形成颈缩，断裂为穿晶型，断口的微观特征是韧窝。这类蠕变断裂对缺口应力集中不敏感。第三节电站锅炉主要部件的失效型式四、蠕变失效B、楔型裂纹蠕变断裂（W型蠕变断裂）高温下晶界是粘滞性的，在较大外力作用下，晶界将产生滑动，在晶粒的交界处产生应力集中。如果晶粒的形变不能是应力集中得到松弛，且应力集中达到晶界开裂的程度时，则在晶粒的交界处产生楔型裂纹。C、孔洞型蠕变裂纹（R型蠕变断裂）在形变速率小、温度较高的低应力蠕变中，首先在晶界上形成孔洞，然后孔洞在应力作用下继续增多、长大、聚合、联接成微裂纹，微裂纹连通形成宏观裂纹，直至断裂。晶界上形成孔洞的原因是：晶界滑动时，在晶界弯曲和硬质点分布处形成孔洞；滑移带和滑动晶界的交割形成孔洞；空位由压应力区扩散和沉淀；晶界上的夹杂或第二相质点与母体分离。孔洞型蠕变断裂形貌特点是：属于沿晶断裂，断口处无明显塑性变形，垂直于拉应力轴的晶界上孔洞成核较多。蠕变过程中临界裂纹的形成临界的宏观裂纹产生前，在一个宏观应力集中的区域内，有利于形成孔洞的晶界上都可产生孔洞、孔洞链和裂纹。它们可独立产生和发展，而且与金属表面不连通。较大的微裂纹通过合并邻近的小裂纹而长大。形成临界宏观裂纹后，它将成为主裂纹而加速扩展，直至断裂。蠕变裂纹与表面连通后，氧化形成的楔形氧化物，将促进蠕变裂纹扩展。第三节电站锅炉主要部件的失效型式四、蠕变失效3、过热失效过热失效是材料在一定时间内的温度和应力作用而出现的失效形式。它是蠕变失效在电站锅炉高温部件的具体表现形式。它主要发生在受热面管道上。过热与超温的概念不同，超温就是材料超过其额定使用温度范围运行。主要针对锅炉运行温度而言，而过热主要是针对材料的金相组织和机械性能的效果而言。过热是锅炉超温运行的结果，超温是过热的原因。过热失效一般分为长期过热和短期过热。主要表现形式是锅炉管子发生爆破。长期过热是管子在长时间的应力和超温温度作用下导致的爆管。长期过热一般超温幅度不大，过程缓慢。一般常发生在过热器和再热器管上。短期过热是超温幅度较高，在较短的时间内发生的失效现象。有的短期过热的超温幅度会高于相变点。一般发生在水冷壁管上。第三节电站锅炉主要部件的失效型式五、磨损失效磨损分为五类：粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损和表面疲劳磨损。决定磨损方式的三个因素：零件所处的运动学和动力学状态，零件表面的几何形貌和转配质量。零件的使用工况及所处的环境状态。零件材质状态，摩擦副材料的匹配情况，以及材料在磨损过程中的变化等。1、冲蚀磨损A、固体粒子冲蚀B、汽蚀2、腐蚀磨损第三节电站锅炉主要部件的失效型式六、脆性断裂失效1、产生条件材料的脆性是指材料的其他力学性能变化不大，而韧性急剧下降的现象。部件的脆性断裂是指几乎没有塑性变形，断裂过程极快而吸收能量极低的突发性破坏现象。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。部件发生脆断时的应力大大低于材料的屈服强度，属于平面应变条件下的裂纹失稳扩展。2、阳城电厂K4大板梁断裂实例下翼板断口形貌腹板断口形貌分析第三节电站锅炉主要部件的失效型式七、塑性断裂失效产生条件当部件所承受的应力大于材料的屈服强度时，将发生塑性变形。如果应力进一步增加，就可能发生断裂。这种失效，称为塑性断裂失效。它一般发生于静力过载或大能量冲击的恶劣工况情况下。第四节失效分析的主要分析方法和主要分析设备一、宏观分析和金相分析方法1、宏观分析宏观分析是把金属的表面或金属的纵断面或横截面磨制后，经过侵蚀或不经侵蚀，用肉眼或在放大镜下观察的方法。2、金相分析金相分析的基本任务是研究金属和合金的组织和缺陷，以确定其性能变化