以大數(shù)據(jù)分析為載體的鍋爐水冷壁失效分析

李曼

（上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信與信息工程學(xué)院，上海201411）

在日常生活中，鍋爐應(yīng)用廣泛，而鍋爐長期處于高壓、高溫狀態(tài)，采用有效的檢測手段對于鍋爐安全運(yùn)轉(zhuǎn)有重要的作用。本文以電廠鍋爐為例，電廠的不間斷供電主要取決于其設(shè)備和部件的持續(xù)運(yùn)行，傳統(tǒng)的燃煤電廠，鍋爐管，過熱器，熱交換器，渦輪機(jī)等的正常運(yùn)行對于維持電力供應(yīng)是十分重要的，即使單個(gè)組件故障也可能導(dǎo)致整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)停機(jī)。經(jīng)過相關(guān)研究報(bào)告，鍋爐管的失效是發(fā)電廠停工的主要原因之一[1]。

鍋爐部件主要由鋼、鑄鐵、不銹鋼和高溫合金制成。鍋爐管的失效是發(fā)電廠中非常普遍的現(xiàn)象，對鍋爐管故障原因的調(diào)查對于防止未來的管故障非常重要，這是因?yàn)樽R別正確的故障機(jī)制通常有助于確保設(shè)備的完整性。常見的鍋爐管故障原因有點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、應(yīng)力破裂、蠕變、腐蝕和熱疲勞等[2]。本文所研究的鍋爐由20 G鋼制成，鍋爐管操作壓力和操作溫度分別設(shè)置為10.8 MPa 和320 ℃，并且該管中的工作介質(zhì)是脫氣水。經(jīng)過8 年的使用，鍋爐管爆裂一個(gè)小洞，管的開口爆裂的尺寸為30 mm 長和17 mm 寬。通過對失效管的詳細(xì)調(diào)查，本研究旨在利用多實(shí)驗(yàn)分析手段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用大數(shù)據(jù)分析的手段找出失效機(jī)理，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施[3-5]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對失效的管子進(jìn)行失效分析，特別是管子的破裂部分，為了檢查管的內(nèi)壁表面形態(tài)，從失效管的不同區(qū)域制備樣品，并通過不同的手段獲取目標(biāo)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

（1）通過使用標(biāo)準(zhǔn)金相技術(shù)制備金相試樣，并用4%硝酸溶液蝕刻；

（2）通過光學(xué)顯微鏡和配備有能量色散X 射線（EDX）分析設(shè)備的掃描電子顯微鏡（SEM）分析微結(jié)構(gòu)；

（3）通過725ES 安捷倫光譜儀分析故障管的化學(xué)組成[6-7]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 視力檢查

在檢查期間，如圖1所示，在管的朝向火的一側(cè)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)孔，翹起的金屬在孔周圍。近距離目視檢查發(fā)現(xiàn)，面向火的一側(cè)的壁厚小于后側(cè)的壁厚（如圖2 所示）。這表明該管具有顯著的局部壁變薄并且最終突然失效，基于該發(fā)現(xiàn)，對失效管進(jìn)行壁厚測量。在面向火的一側(cè)，最薄區(qū)域的厚度約為1.90 mm，遠(yuǎn)小于背面的壁厚（6.08 mm）。

圖1 失效管的一般視圖和斷裂的放大視圖

圖2 失效管的橫截面

此外，在失效管的內(nèi)表面和外表面上觀察到氧化皮，并且在管的破裂部分沒有發(fā)現(xiàn)明顯的凸起。為了分析管子的失效原因，對破裂部分和遠(yuǎn)離破裂區(qū)域的原始管子進(jìn)行了取樣和分析。結(jié)果顯示失效管的朝向火的一側(cè)的腐蝕比背面更嚴(yán)重。

2.2 化學(xué)分析

所研究的鍋爐管由20G 鋼制成，且失效管的化學(xué)成分經(jīng)檢測如表1所示?？梢钥闯?，管的基質(zhì)材料的組成符合GB 5310—2008的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[8]。

表1 失效管的化學(xué)成分%

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

使用丙酮溶液用超聲波洗滌器清潔失效管樣品，然后施加溶劑軟化的乙酸鹽條帶以除去樣品表面上的雜質(zhì)。通過掃描電子顯微鏡分析樣品的表面形態(tài)，如圖3所示。可以看出，面向火的一側(cè)的內(nèi)壁表面，特別是破裂部分的薄片，具有大的內(nèi)壁表面、腐蝕坑的數(shù)量；背面的內(nèi)壁表面相對平坦，凹坑少得多。此外，在面向火的一側(cè)的內(nèi)壁表面上觀察到明顯的鱗片，其中一些已經(jīng)破裂并從污垢層上剝落。

圖3 試驗(yàn)樣品地內(nèi)壁的表面形態(tài)

該結(jié)果與宏觀觀察結(jié)果一致，如表2 所示為EDS結(jié)果，利用多實(shí)驗(yàn)分析手段表明氧化皮層含有大量的氧，鐵和少量的鈣，硅等，檢測結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)氯和其他異常元素，這表明鍋爐管有嚴(yán)重的氧氣腐蝕。并且面向火的一側(cè)的鐵氧比小于背面的鐵氧比，特別是在比率達(dá)到最小的裂縫部分，這表明在面層側(cè)的管的氧化比在背面，連續(xù)發(fā)生氧化可能導(dǎo)致壁厚變薄。

表2 失效管內(nèi)壁的EDS結(jié)果mg

結(jié)果表明在基材中，碳化物圓化或晶界空隙產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)退化/異常不明顯。因此，可以排除蠕變損壞的可能性。管子朝向火的一側(cè)的樣品中的珠光體和爆裂孔周圍的切片顯示出一定程度的球化，后者更嚴(yán)重。在使用過程中，原始的層狀珠光體由于表面能的降低且滲碳體向球形發(fā)展而形成球形珠光體。相關(guān)研究表明，盡管珠光體球化不同，但當(dāng)試驗(yàn)溫度從室溫升至475 ℃時(shí)，20G 的拉伸強(qiáng)度降低了6.5%。因此，當(dāng)溫度低于475 ℃時(shí)，珠光體球化對20G 的機(jī)械性能幾乎沒有影響。

本文通過多實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集完成后，通過大數(shù)據(jù)分析的多維建模的手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即對視力檢查、化學(xué)分析、微觀結(jié)構(gòu)分析等多種數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，并按照鍋爐管故障發(fā)生的常見點(diǎn)按照相互間的關(guān)系構(gòu)建分析模型。

3 結(jié) 論

本文主要以鍋爐水冷壁在火面一側(cè)容易爆裂為分析研究對象。利用多實(shí)驗(yàn)分析手段，通過觀測化學(xué)分析以及微結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)獲取不同試驗(yàn)樣品地測試數(shù)據(jù)，結(jié)果表明鍋爐管由鐵素體和珠光體組成，而珠光體僅顯示少量球化，這對材料的機(jī)械性能幾乎沒有影響。通過觀察管的朝向火的側(cè)面經(jīng)歷了顯著的壁變薄，并且管內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物主要是氧化鐵。面向火的一側(cè)的鐵氧比小于背面的鐵氧比，裂縫部分的鐵氧比最小，表明火面上的管氧化比背面更嚴(yán)重。