锅炉重要部件的疲劳失效事件及原因分析

董,宇

【摘  要】 锅炉设备近年来因疲劳作用而存在隐患或发生损坏的情况，对其进行分析，并阐述相应的应对措施。

【关键词】 锅炉部件  疲劳失效  分析

1．概述

定义：零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂的现象就叫作疲劳断裂。

1.1金属材料疲劳断裂的特点：

1. 载荷应力是交变的；
2. 载荷的作用时间较长；
3. 断裂是瞬时发生的；
4. 无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的。

综上特点，疲劳断裂是热力系统中最常见、最危险的断裂形式。在拉伸-压缩对称的应力循环中，疲劳极限约为抗拉强度的40%。

1.2金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种：

1.2.1高周疲劳：指在低应力(工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限)条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。

1.2.2低周疲劳：指在高应力(工作应力接近材料的屈服极限)或高应变条件下，应力循环周数在10000～100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。

1.2.3热疲劳：指由于温度变化所产生的热应力的反复作用，所造成的疲劳破坏。

1.2.4腐蚀疲劳：指机器部件在交变载荷和腐蚀介质(如酸、碱、海水、活性气体等)的共同作用下，所产生的疲劳破坏。

1.2.5接触疲劳：这是指机器零件的接触表面，在接触应力的反复作用下，出现麻点剥落或表面压碎剥落，从而造成机件失效破坏。

1.3易产生疲劳损坏的锅炉部件有以下：

1.3.1汽包管座、联箱管桩头及管座；

1.3.2球磨机传动部分齿轮的齿面、筒体与端盖的连接螺栓等；

1.3.3重要辅机的滚动轴承。

2．存在的问题

2.1应力疲劳造成的失效事件

2.1.1 某厂300M#1、#2炉包覆过热器出口联箱在安装时由于未考虑到疏水管未疏水时与联箱的温差，而且联箱疏水管的长度也较长，故在运行中，在温度差和长度较长的综合作用下，疏水管的膨胀量要大大小于联箱的膨胀量。且安装时未加膨胀弯，导致运行中疏水管与联箱的角焊缝在膨胀应力的作用下产生裂纹，进而在运行中发生泄漏。泄漏的主要原因是由于机组多次启、停炉，该焊缝在应力疲劳的反复作用下，在投运几年时间后就产生了裂纹导致泄漏。

图1  联箱疏水管示意图

2.1.2  300MW机组运行中，因高加系统故障停运，此时省煤器进口联箱的水温从270℃左右骤降到除氧器水箱的水温（约180℃左右），瞬时的温度变化造成省煤器进口联箱与省煤器管的温度冲击（热疲劳的一种），从而会产生联箱管桩头的应力疲劳，反复多次会使管桩头产生裂纹。

图2

2.1.3  某厂300MW机组#3、#4炉水冷壁下联箱疏水管，由于在基建安装炉顶大包时，未充分考虑疏水管的膨胀量，造成疏水管在运行中应力最大处的位置（桩头与管子的焊口处）因机组多次启停，产生该管道的低周疲劳，在管道应力集中处和金相组织薄弱处发生泄漏，失效处呈脆性断面或裂纹。疏水管穿炉底大包处的管子则是因膨胀不畅而发生类似泄漏事故。

2.1.4  某厂300MW机组#3炉包墙疏水管，因在安装时未充分考虑横向膨胀的问题，以致机组在2020年8月初开机过程中，发生将管桩拉裂事故。同时，该炉还在2019年11月发生A侧水冷壁下联箱疏水管因膨胀受阻在水封槽处发生桩头裂纹泄漏事故。均在应力最大处的位置（桩头与管子的焊口处）因机组多次启停造成该管道的低周疲劳，在管道应力集中处和金相组织薄弱处发生泄漏，失效处呈脆性断面或裂纹。如下图所示：

图3 #3炉A侧水冷壁疏水管泄漏位置

2.2热疲劳造成的失效事件

带周期性负荷的机组间歇启动时，省煤器进口联箱的温度为汽包的饱和水温度（约350℃），在机组运行过程中因高加系统故障而停运时低温给水温度为180℃左右，易产生严重的热冲击，从而在联箱和管接头内壁产生热疲劳裂纹，其它联箱也可能产生这类裂纹。

另外由于我厂锅炉的吹灰器采用蒸汽吹灰，在运行中投运吹灰器时，由于吹灰系统的疏水情况不好，导致吹灰器在吹灰过程中蒸汽带水严重，对高温区域的受热面管长期冲刷，因热疲劳使管子表面产生微裂纹，这在防磨检查过程中多次发现。

2.3接触疲劳导致的失效事件

对于接触疲劳造成的失效，锅炉磨机传动部分齿轮接触面的损坏就属于此类失效，特别是磨机减速机，齿轮工作齿面因长期运行承受高强度载荷产生机械疲劳，而使齿面产生剥落，裂纹现象。

另外某厂#2炉球磨机B磨大齿轮的断齿及#1炉B磨筒体与齿轮联接螺栓断裂也是属于重负荷，低频率的应力疲劳损坏，由于目前燃煤市场的原因，煤的热质变差，为了保证锅炉燃烧的经济性，特要求加大磨机的装球量，即加大磨机的工作负荷，也大大降低了磨机重要转动部件的使用寿命。

还有锅炉风有使用滚动轴承的部位，由于锅炉通风量的加大，加重了风机的工作负荷，同样缩短了轴承的使用寿命，出现轴承滚珠表面出现麻坑，严重的情况还出现了滚球保持架损坏导致滚动轴承的损坏。

锅炉运行中如果出现定位装置松动或夹持不当，会使受热面管产生振动，在管子某些部位形成机械疲劳，机械疲劳的开裂特征是沿管子横断面开裂，水冷壁管拉稀管发生过此类事件。

另研究，对于铁素体钢和奥氏体不锈钢的异种钢接头，锅炉在运行中还承受着一定的交变应力，这种交变应力主要来源于设备启停产生的交变热应力，炉管内气流波动引起的振动应力等。管子内壁焊缝存在的焊瘤，势必会造成应力集中。应力的迭加使焊接接头的熔合线附近受到了应力幅值较高的低周疲劳载荷的作用。当载荷超过疲劳载荷的门槛值时，炉管首先在表面应力集中处形成微裂纹，进而以疲劳方式沿薄弱环节扩展，最终穿透整个壁厚造成泄漏。不锈钢与珠光体钢的焊接接头出现早期失效的启动频率为30～290次。

3．处理措施

根据以上设备或部件的失效形式，采用了以下相应措施进行处理：

3.1对于因设计时未考虑膨胀的小管，采取加膨胀弯的方式加以解决，如疏水管在采用加膨胀弯后，未再发生因膨胀导致的疲劳问题而造成的泄漏。对于因机组投产后进行其它方面改造工程，因施工原因会产生小管膨胀不畅的隐患，会充分预留管道的膨胀空间，避免影响小管在机组运行中的正常膨胀。

3.2对于热疲劳造成的失效，在今后的工作拟采取以下措施：

3.2.1锅炉受热面管因运行中蒸汽吹灰器吹灰过程中，蒸汽带水吹到管子上造成的热疲劳裂纹，在进行锅炉的防磨防爆检查过程中，仔细检查，并采取相应的防范措施，杜绝漏检。

3.2.2对于省煤器进口联箱管桩头、水冷壁下联箱疏水管桩头等焊缝的检查，结合锅炉A修时的定检工作进行，并要求检验单位扩大检查范围。

3.2.3对于锅炉受热面管球光体钢与奥氏体钢对接焊缝的检查，按照金属技术监督规程D/LT-2016版中的规定，在到达检查年限后，结合机组的检修情况，分批次、分范围进行无损探伤检查。

3.3对于机械疲劳，锅炉球磨机传动齿轮工作面的裂纹、断裂、剥落等情况，对设备本身存在的问题或是设计上存在的缺陷，出专题方案加以解决，另外备品配件购买要从源头抓起，购买资质过硬的正规厂家产品，同时在设备的运行过程中，对启停频繁的磨机加强检查。

4．总结

本文对于机械设备在运行过程中因疲劳原因而导致的一些隐患或故障，经过分析，对今后工作中，加强转动机械设备的润滑油系统运行管理，使设备得到良好的润滑和冷却，同时在进行检修工作、设备技改中应对设备可能发生膨胀受阻、热疲劳、机械疲劳等因素时，应尽可能考虑周全，采取好相应的防范措施，以减少事故或隐患。

【参考文献】

[1]电站重要金属部件的失效及其监督  中国电力出版社

[2] DLT-2016（金属技术监督规程）

[3]焊接结构的断裂行为及评定   机械工业出版社