Failure Analysis of High Temperature Pipe of Air Preheater of Waste Incinerature CFB Boiler
卢常飞 LU Chang-fei；董猛 DONG Meng
（东方电气集团东方锅炉股份有限公司，自贡 643001）
（Dongfang Boilder Group Co.，Ltd.，Zigong 643001，China）
摘要：以现场切割下的某垃圾焚烧电厂CFB锅炉的空气预热器一次风高温段管子的2块试样，进行了化学成分、显微组织、硬度和电镜分析，对该类型失效原因展开讨论，结果表明管状样的理化性能正常，片状样品出现失效是由于该管段长期在远高于580℃的温度运行，基材出现严重高温氧化和脱碳，最终导致钢管有效壁厚和强度大大降低所致。
Abstract: The chemical composition, microstructures, hardness and electron microscopy of two samples of tubes in the primary air high temperature section of CFB boiler in a waste incineration power plant were analyzed, the failure reasons of the tubes were discussed, the results showed that the physical and chemical properties of the tubes were normal, the failure of the flake samples was due to the long-term operation of the tubes at a temperature far higher than 580℃, and the base materials were produced. At present, serious high temperature oxidation and decarbonization lead to the reduction of effective wall thickness and strength of steel pipe.
关键词：高温管；氧化；脱碳
Key words: high temperature pipe；oxidation；decarburization
中图分类号：TF704.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）25-0239-03
0 引言
近年来，由于循环流化床锅炉具有的燃烧效率高、煤种适应性广等优点备受青睐，在我国电力行业得到大力推广，装机容量不断增长，中国已经成为世界上CFB锅炉装机总容量最大、投运台数最多的国家[1]。但是CFB锅炉因其磨损问题比较突出，严重制约了该炉型长期经济运行。
CFB锅炉的磨损主要发生在：膜式壁、过热器、省煤器、空气预热器、风帽及浇注料[2]。空气预热器入口的一次风高温段管子磨损失效后会造成送风外逸，风量减少，影响燃烧。
本文讨论分析的空预器一次风高温管段涉及两个样品，按照外观形状区分为管状样和片状样。为了便于后续的分析描述，这里将管状样品编号为1#，片状样品编号为2#。
1 宏观检查
空预器一次风高温管段样品相关信息见表1。
2 理化分析
针对空预器一次风高温段的1#样品和2#样品进行理化性能检验，检验内容包括：化学成分、显微组织和硬度。
2.1 化学成分检测
空预器一次风高温管段1#和2#化学成分分析结果见表2。
由表2可知，1#样品的化学成分满足GB/T3077-2015规定的12Cr1MoV材质要求。2#样品除碳元素低于标准要求外，其余化学成分满足标准GB/T3077-2015规定的12Cr1MoV材质要求。
2.2 显微组织检测
空预器一次风高温段样品的显微组织检测结果见图1。
由图1可知，1#样品的显微组织为铁素体、珠光体和少数贝氏体，晶粒度等级为7级，显微组织正常。
2#样品的显微组织为铁素体+点状碳化物，晶粒度等级为7级。（GB/T3077-2015要求特级优质钢晶粒度级别为不粗于5级或更细）。该显微组织为12Cr1MoV非正常组织，不满足标准GB/T3077-2015规定的12Cr1MoV材质要求。其大部分碳化物已分布在铁素体晶界上，仅有极少量的贝氏体区域的痕迹。参照DL/T773-2001《火电厂用12Cr1MoV钢珠光体球花评级标准》，其球化级别达到4级。
2.3 硬度检测
2#样品做了硬度检测结果见表3。
1#样品满足标准GB/T3077-2015规定的12Cr1MoV硬度值“维氏硬度HV≤179”。相对于1#样品，2#样品硬度更低，也满足标准GB/T3077-2015要求。
3 电镜分析
利用JSM-6610扫描电子显微镜（SEM）及NSS SYSTEM7能谱仪（EDS）分析2#样品表面附着物。
根据能谱分析，样品表面附着物化学成分分析结果见表4。
根据能谱分析结果及一次风空预器高温管道所处环境，可以得知：1）2#样管内外表面附着物成分相近，主要成分为：O、Ca、S，同时含有少量的Cl、Na、K等易形成低熔点物质的腐蚀性元素。内壁也存在腐蚀性物质，可能与管壁失效后，烟气与内壁接触有关。2）样管内外壁靠近基材处的层状物的主要成分均为铁氧化合物。
4 分析讨论
根据附着物的能谱分析结果，2#表面的深灰色层状物主要组成为铁氧化合物，也就是通常所说的氧化皮。即该管段在高温烟气中的发生了氧化反应，导致其表面生成了硬且脆的氧化皮，且样品的氧化皮最大厚度达到4mm。
比较1#样品和2#样品，其为同一材质，均来自于空预器一次风高温管段，可以判断该管段的原材料理化性能正常。两者的C元素存在较大的差异性，应该与后期的运行环境有关。结合其显微组织，1#样管的显微组织为铁素体+珠光体+贝氏体，而2#样管为铁素体+少量点状碳化物，说明了2#样管出现了脱碳现象。
12Cr1MoV的工作温度一般不超过580℃，2#表面出现如此严重的氧化和脱碳现象，且珠光体的球化级别达到4级，说明其实际运行温度应高于正常使用温度。结合其显微组织，判断实际工作温度应该在AC1附近，该温度下的长期运行是导致材料失效的主要原因。
另外，结合片状样品外壁附着物成分（含有大量的S、Cl、Na和K等腐蚀性元素）和去除附着物后的外壁形貌（大量的腐蚀凹坑），可以判断：该样管发生了典型的高温腐蚀（硫酸盐腐蚀和氯腐蚀）。此类腐蚀坑深度较小，且均位于氧化层的上方，远未达到贯穿性的腐蚀坑程度。相对于氧化皮的厚度（达到2-4mm），腐蚀坑深度（一般小于1mm）可予以忽略。由此也说明高温氧化和脱碳才是该管段出现失效的主要原因，高温氧化和脱碳导致钢管有效壁厚和强度大大降低，最终出现破裂失效。
5 结论
①空预器一次风管段的管状样的理化性能正常。片状样品理化性能虽不能满足标准要求，但是结合样品来源及相关分析，可以判定其原材料合格，造成片状样品理化性能异常的原因与其后期的运行环境有关。
②空预器一次风管段片状样品出现失效是由于该管段长期在远高于580℃的温度运行（实际工作温度应该在AC1附近），基材出现严重高温氧化和脱碳，最终导致钢管有效壁厚和强度大大降低所致。
参考文献：
[1]孟祥民.CFB锅炉磨损的发生与综合治理[J].应用能源技术，2011，160（4）：27-29.
[2]席晶，王晓蕾.CFB锅炉的磨损形式、机理及防护措施[J].锅炉制造，2011，11（1）：43.
[3]武松.新工艺环保项目垃圾焚烧锅炉安装[J].内燃机与配件，2017（10）：108-110. |
