孙坚 单小云 龚俊 张洪 金建荣 刘成威 陆海峰 陈国星

摘要：通过对落渣管进行金相组织、硬度、力学性能及扫描组织成分测试，分析鼓包原因。结果表明，落渣管鼓包处金相组织由铁素体和粒状贝氏体组成，明显区别于鼓包上方的铁素体和珠光体组织;鼓包处硬度较其他区域高;鼓包处向火侧存在大量Fe的氧化物和飞灰，落渣管底部积累/附着较多水垢/积渣。落渣管鼓包的原因是管道内部循环不畅，热量不能及时交换，超过最高使用温度，发生相变，导致材料部分区域强度下降，发生塑性变形。

关键词：落渣管;鼓包;飞灰;塑性变形

引言

循环流化床锅炉因为其燃烧效率高、污染排放少、燃料适应性广等优点在我国迅速发展，经过数十年的发展建设，我国的循环流化床总台数和锅炉蒸发量在世界上居于前列[1-3]。目前，国内外对于循环流化床锅炉技术的研究主要集中在锅炉管[4]、水冷壁[5，6]、省煤器[7，8]、脱硫[9]等方面，对于落渣管的分析比较少见。落渣管作为锅炉内极小部件，但是经常会发生因设计不当或服役环境问题，导致落渣管故障引发锅炉非停，影响锅炉连续运行率，带来安全隐患。

某火电厂CFB锅炉额定参数9.8MPa，540℃。在累计运行8万小时后，水冷落渣管发生鼓包爆管事故。通常情况下，循环流化床的落渣管由于排渣磨损原因，落渣管易在上部失效，而本次失效位置在落渣管的中下部，出现在不易发生失效的部位，引发爆管导致锅炉非停，影响电厂安全稳定运行。本文对鼓包的水冷落渣管进行失效分析，以期查明鼓包原因。

1 试验部分

1.1 试样材料

管道内壁变形鼓包处最薄处厚度为1mm，平均厚度为3～4mm，管道外壁水垢厚度为400μm。本试验从中进行取样测试分析，鼓包的落渣管材质是12Cr1MoVG，管道规格是φ273×20mm。

1.2  测试方法

对取样试样进行镶嵌，然后按照400/800/1200#砂纸顺序研磨、抛光，再采用硝酸酒精腐蚀10s，超声清洗吹干后，最后利用ZEISS金相显微镜观察试样金相组织;采用QNESS显微维氏硬度计进行硬度测试，载荷选择0.3kg，保载15s;采用SANS万能试样拉伸机对试棒进行拉伸实验，拉伸速率为0.5mm/min;采用SEM、EDS手段对试样的形貌和成分进行分析，探究落渣鼓包原因。

2 试验结果及分析

2.1 金相组织

为分析鼓包处内部组织的变化，在鼓包处向火侧、背火侧分别取样，进行金相分析，结果如图1所示。从图1（a）可以看出，管材向火侧处的金相组织为铁素体+珠光体+粒状贝氏体，晶粒尺寸较细;管材背火侧，即靠近冷却水一侧的金相组织也是铁素体+珠光体+粒状贝氏体，但与向火侧相比铁素体的晶粒尺寸有所增大，见图1（b）。因为此处的水垢、积渣导致水流受阻，局部温度增加，导致此处的

为进一步分析落渣管金相组织变化，在鼓包处上方取样进行金相实验，其金相组织结果见图2。由图可知，向火侧的金相组織为铁素体+珠光体;在由向火侧向背火侧移动时，试样内部金相组织中的珠光体开始分散，部分碳化物变成条状，部分晶界处析出碳化物，导致材料性能降低。

2.2 硬度测试

对落渣管鼓包处截面进行硬度分析，从向火侧到背火侧，平均选取5个点，观察硬度变化趋势，结果见图3。由图3可知，5个点的硬度值相差不大，平均值在250.2 HV0.3左右，较12Cr1MoVG的硬度有所增加，这是因为鼓包处贝氏体组织数量较多，贝氏体组织的硬度较铁素体高，这与金相组织的分析结果吻合。在鼓包上方试样上由表及里选取9个点进行硬度分析，试样背火侧的平均显微维氏硬度为157 HV0.3，不断靠近向火侧时，硬度逐渐增加，在向火侧的显微硬度值为178 HV0.3，这是因为根据金相组织分析，背火侧发生脱碳现象，导致材料硬度有所降低。

2.3 拉伸性能

在落渣管鼓包处上方取样进行拉伸试验，测试结果见表1。由结果可知，落渣管鼓包上方的拉伸性能符合GB 5310-2008中12Cr1MoV钢的拉伸性能标准，说明此时落渣管内部其他部分力学性能并未因为鼓包导致下降，但是此时落渣管的断后伸长率和收缩率都大于50%，说明此时管道塑性较好，极易发生塑性变形。

2.4 形貌及成分测试

为更好分析落渣管鼓包的原因，对其截面进行扫描形貌和成分分析。鼓包处截面背火侧凹凸不平，存在缝隙与孔洞，表面形成较多凝结物;根据的能谱分析，可以看出背火侧主要元素为O、Fe、Si，其含量分别为49.86 at.%、32.33 at.%和9.84 at.%，另外还存在少量Na、Al元素，说明此时背火侧表面存在大量水垢、硅酸盐等。鼓包处截面向火侧表面存在一层腐蚀氧化层，厚度为40μm，并且部分扩散进入试样内部，形成氧化腐蚀产物;成分分析结果显示，氧化腐蚀层中主要有O、Si、Ca、Fe元素，含量为50.79 at.%、13.87 at.%、10.25 at.%和17.10 at.%，还有一定含量的S、P、Al、Na等元素，说明氧化腐蚀层中主要由Fe的氧化物、燃料产生的飞灰落渣组成。

3 结论

（1）落渣管鼓包处的金相组织为铁素体+珠光体+粒状贝氏体，鼓包上方组织为铁素体+珠光体;鼓包处的金相组织发生变化，并且晶粒尺寸较为粗大，导致材料的性能降。

（2）管道鼓包处的微观硬度为250.2HV0.3，较管道其他区域高，主要是管道鼓包处含有贝氏体，使得此处的硬度较大，并对鼓包位置上方进行取样，检测显示力学性能符合标准;

（3）落渣管鼓包原因是锅炉长期运行，在落渣管内侧底部积累/附着较多水垢/积渣，发生“循环水流不均匀”现象，产生热量传导不均匀，局部温度逐渐升高，导致落渣管局部超时高温服役，材料力学性能下降，发生塑性变形，产生鼓包失效的现象。

参考文献

[1]骆仲泱，何宏舟，王勤辉，等.循环流化床锅炉技术的现状及发展前景[J].动力工程学报，2004，24 （6）：761-767.

[2]周一工.中国循环流化床锅炉的发展：从低压到超临界[J].锅炉技术，2012，40（2）：22-27.

[3]杨红红，姜森.循环流化床锅炉的简单介绍和发展前景分析[J].锅炉制造，2010，（3）：14-16.

[4]赵永宁，岳增武.TP304H奥氏体耐热钢锅炉管的组织性能研究[J].热力发电，2009，38（3）：56-60.

[5]郑准备，李秀广，杨占君，等.火电厂330MW锅炉水冷壁管泄漏原因分析[J].热加工工艺，2017，46（17）：255-260.

[6]付红红，樊钊，陈伟民，等.锅炉水冷壁爆管原因分析[J].工业锅炉，2017，（4）：51-55.

[7]孙澎，孙涛.电站锅炉省煤器管爆管原因分析[J].铸造技术，2017，38（9）：2162-2164.

[8]卢洪波，辛东，宋志宇.300MW煤粉锅炉省煤器蛇形管流场及积灰特性分析[J].东北电力大学学报，2017，37（1）：34-39.

[9]张建生.超临界350MW机组CFB锅炉脱硫脱硝经济性分析[J].热力发电，2017，46（11）：114-118.

第一作者简介：孙坚（1975—），浙江绍兴，工程师，本科，从事热电行业热力系统管道、锅炉及环保等设备安装改造、检维修工作。