工业采暖锅炉中水煤浆喷嘴的失效分析

工业采暖锅炉中水煤浆喷嘴的失效分析朱柳娟,丁毅,顾伯勤(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京21000)摘要:采用X射线能谱仪(FDS)、金相显微镜、扫描电镜(SEM)等设备对失效的水煤浆喷嘴的化学成分、微观组织及断口形貌进行了分析。结果表明,喷嘴材料中Ni含量偏低及高温渗硫所引起的S含量超标是导致喷嘴开裂的主要原因。同时提出了采用含钛铬镍奥氏体不锈钢及表面渗铝等相应改进措施以防止喷嘴失效。关键词:水煤浆;喷嘴;失效分析;工业采暖锅炉中图分类号:TG162.7;TG157文献标识码:B文章编号:02546051(2006)04007604Failure Analysis of Coal Water Mixture Nozzle in Industrial Heating BoilerZHU Liu-juan, DING Yi, GU Bo-qinCollege of Mechanical and Power Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing Jiangsu 210009, China)Abstract: The chemical composition, microstructure and fractography of coal water mixture nozzle material were analyzedby X-ray energy dispersive spectroscopy(EDS), optical microscope and scanning electronic microscope(SEM)respectively. The results show that the main reasons for the nozzle failure are the lower Ni content and the excessive s contentcaused from sulfurizing under high temperature. To prevent the nozzle failure, improved measures such as using Cr-Niaustenitic stainless steel containing Ti and with aluminizing are put forwardKey words: coal water mixture (CWM); nozzle; failure analysis; industrial heating boiler水煤浆是由60%~70%的煤粉与40%~30%的料。北京燕山石化民用能源热力分公司对星城供水及少量添加剂混合而成的煤基浆状新型洁净燃热站QXS14-1.25/130/70-Y型燃重油热水锅炉12进行了燃用水煤浆改造,通过一个供暖季节的试运行和作者简介:,柳娟(1980.05-),女,上海人博士生,主要从事个供暖季节的完善改进,取得了令人满意的结果材料热处理及失效分析的研究。联系电话:0258387310E-mail:zhulj521@163.com但由于水煤浆不同于一般的液体燃料,其浓度高、粘度收稿日期:2005-11-20大,雾化困难,而且煤粉屮还含有黄铁矿、石英等许多以进入,即在ac状态,折叠裂缝均会产生高温氧化3结论脱碳。另外,如果终锻温度过低,在进行较大变形比的锻造时,也极易产生锻造裂纹,如果锻坯上出现了该零件精加工过程中发现的裂纹产生于锻造过锻造折叠或其他缺陷,那么在此情况下就更容易出现程,原因为终锻温度过低,或者锻造开始时表面产生锻锻造裂纹了。在b状态锻造过程中形成锻造裂纹时造折叠以及锻坯原始表面存在其他缺陷,锻造裂纹一也会有一定宽度的开放型裂纹,也会产生高温氧化。旦形成,它就会在最终热处理过程中进一步扩展,最后但不论是在a状态产生了锻造折叠还是在b状态产在精加工过程中被发现。生了锻造裂纹,它们在随后进行的锻造拔长和精锻成4建议型过程都会使折叠裂纹或锻造裂纹产生封闭或部分封原材料入厂复验时增加外观质量检验和宏观低倍闭并沿轴向伸长或扩展,即图3中反映出来的裂纹边检验,尽量避免使用有缺陷的坯料锻造零件,减小报废缘脱碳层错位和不连续现象。错位是由于裂纹两侧部率。严格控制锻造温度,终锻温度不允许低于规范要分在锻造时存在微小变形差异所致;在最终热处理淬求温度。零件锻造成型后,应增加探伤工序确保合格火时,伴随着强大的组织应力和热应力的联合作用,几后再进行下道工序。乎处于封闭状态的锻造折叠或锻造裂纹将发生开裂,参考文献或者显现出拔长的锻造裂纹形貌(图3),或者进一步1增严背出什机零件失效及缺陷分析扩展形成淬火裂纹(图4)。精加工后,随着零件表面质量的提高,以及裂纹由于淬火后宽度有所加重,所以[2CNMHG资格检验委员会金相检在此环节很容易发现裂纹。验[M].上海:上海科学普及出版社,2003《金属热处理》2006年第31卷第4期高硬度(>2500Hv)杂质。在高温运行过程中含有固体煤粉粒子的水煤浆流体连续冲击喷嘴表面,产生颗粒冲蚀磨损,使喷嘴表面发生破坏3。本文以QXS141.25/130/70-Y型燃水煤浆工业采暖锅炉中已失效的水煤浆+雾化气喷嘴为研究对象,对其进行失效分析,并提H相应的改进措施提高喷嘴的使用寿命。水煤浆喷嘴的结构和工作环境水煤浆通过喷嘴将其雾化成液滴后才能燃烧,因此,喷嘴是水煤浆燃烧器中的关键部件之一,其结构图1水煤浆喷嘴头部结构示意图的合理性决定了水煤浆的雾化效果。燃烧装置采用Fg1 Schematic diagram of coal water mixture nozzle hea旋流式水煤浆燃烧器,配压缩空气雾化喷枪。水煤浆可达1300℃)。喷嘴内部存在温度梯度,而且在水煤燃料由供浆泵向喷枪输送,再由压缩空气雾化喷出。浆的连续冲击下温度会发生变化。由于长期在高温下气体雾化撞击式水煤浆喷枪是利用压缩空气多级撞工作,当水煤浆燃烧不稳定时,会引起炉膛内温度分布击水煤浆,使压缩空气与水煤浆充分混合、细化喷射不均匀或喷嘴处结焦,使喷嘴因温差产生热应力,局部而出。在水煤浆表面形成的初次雾化浆滴,在高温气产生变形。另外长期在高温条件以及周围腐蚀性气氛流的冲击下进一步雾化成更细小的浆滴,并逐级雾化下工作,对喷嘴材料的组织、力学性能和化学性能也产使浆滴满足要求。当水煤浆在喷嘴内与压缩空气形生不同程度的影响。成赛汽进行能量交换并被加速时,媒浆中的固体媒粒2喷嘴的开裂失效分析子尤其是煤中的杂质粒子和喷嘴孔内壁发生剧烈摩擦,导致内壁发生磨损,其磨损过程是一种颗粒冲蚀2.】成分分析磨损。为了延长喷嘴的使用寿命,喷孔必须具有一定水煤浆喷嘴是由1Crl8Ni9奥氏体不锈钢制成。的抗磨损能力,故在喷嘴头部出口孔处设置了YG硬在失效喷嘴断口附近取样,利用X射线能谱仪进行分质合金镶嵌件。在混合室出口的正前方加一撞击块,析,其化学成分见表1。由表I可见,失效喷嘴材料中使气一浆受正面撞击后向四周飞溅,然后从头部喷孔的硫超标、镍含量偏低。硫含量超标主要是由于喷嘴喷出,这样可在增加气耗率的条件下,利用气-浆的材料存在冶金质量问题本身含硫量偏高;另外由于喷动能对水煤浆进行再次雾化。图1为水煤浆喷嘴头嘴长期在高温含硫气氛条件下工作,导致硫不断渗入部的结构示意图。喷嘴材料中(即所谓渗硫)。水煤浆喷嘴材料中的镍喷嘴工作环境具有特殊性,如温度较髙(最高温度含量偏低系原材料本身镍含量偏低,降低了喷嘴的耐表1喷嘴材料的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical compositions of nozzle material(wt%)1Cr18N钢≤0.15≤1.002.00≤0.0358.00~10.0000-19.00r8N钢余余≤0.07≤1.00≤2.00≤0.035≤0.0308.00-11.0017.00~19.00失效喷嘴7.10腐蚀性能。另外,由于能谱成分分析方法对轻元素碳物大多分布在晶界上,它们会削弱晶界的高温结合强的分析误差较大,故未对碳成分进行测量。度,增加喷嘴材料的热脆性,在热应力和工作应力的作2.2断口分析用下易发生脆性断裂,形成沿晶断口。对于1Cr18N19图2为喷嘴断口形貌。由图2可见,断口表面裂奥氏体不锈钢,经600~800℃敏化处理或相应温度长纹是沿着晶界发展的,并引发了大量同样沿晶扩展的期保温后,就会发生晶间腐蚀。而对于长期高温服役二次裂纹,属于沿晶开裂断口,整个断口具有脆性断口的奥氏体不锈钢喷嘴来说,铬的碳化物(如Cr2C6等)特征。从喷嘴高温工作条件看,不能排除由于碳化物会中国煤化工引起晶界附近铬元素在晶界大量析出引起奥氏体不锈钢晶间腐蚀,并导致含CNMHG贫铬区,从而降低晶界其发生沿晶开裂的可能性。所以喷嘴中硫含量过高时的耐迎性能,广生油厲,这也可能是导致喷嘴发导致高温渗硫,而高温渗硫所生成的低熔点共晶硫化生沿晶开裂重要原因之-《金属热处理》2006年第31卷第4期感到大量硫化物和碳化物颗粒的存在,且分布比较密集。随着裂纹的扩展,硫化物和碳化物颗粒数量逐渐减少,在裂纹末端,硫化物和碳化物颗粒数量已非常稀疏因此,可通过裂纹两侧的硫化物和碳化物的分布判断裂纹的走向为由表面向内扩展。图4为喷嘴表面显微组织。由图4可见,从喷嘴材料表面及内部中心的显微组织来看,喷嘴表面有层薄膜,可认为它主要是由喷嘴表面腐蚀产物和运行图2喷嘴断口表面SEM照片过程中粘附在喷嘴上的结焦物的混合物。在不锈钢水Fig 2 SEM of fracture surface of the nozzle煤浆喷嘴材料晶粒的内部发现有孪晶存在,由于孪晶2.3金相分析面主要是由层错组成,孪晶面的层错缺陷有助于溶质在喷嘴断口部位取样进行金相分析,采用氯化铁元素(如硫、碳等元素)的扩散,因此在孪晶面上可以盐酸溶液作侵蚀剂。图3为喷嘴材料的金相组织。由发现存在大量硫和碳的化合物,这些硫和碳的化合物图3可见,裂纹的扩展路径是自喷嘴材料表面向内以的存在削弱了孪晶面的强度,引起裂纹的萌生。沿晶方式扩展的。喷嘴在高温运行过程中,由于高温渗硫所导致的低熔点共晶硫化物及高温渗碳所形成的碳化物大多分布在晶界,在晶界上分布的低熔点共晶硫化物削弱了晶界的高温强度,而在晶界上形成的碳化物则降低了晶界的耐腐蚀性能,这两个因素共同作用的结果降低了喷嘴材料的晶界结合强度,在热应力和工作应力的作用下,最终导致喷嘴发生沿晶开裂。显然,在表面裂纹形成的初期阶段,由于裂纹形成时间较早,接触富硫、富碳气氛的时间比较长,渗硫量和渗图4喷嘴表面显微组织×100碳量都比较大,因此在早期形成的裂纹两侧可以观察Fig 4 Microstructure of nozzle surface x 1003改进措施由水煤浆喷嘴的化学成分断口和金相组织分析可知,硫化物和碳化物对高温服役的水煤浆喷嘴具有重大的影响,它们不仅降低了材料的强度,又会影响材料的耐腐蚀性能,最终导致喷嘴失效。因此,为了提高喷嘴的使用寿命,提出以下一些改进措施:①严格控制水煤浆中的硫含量,以防止髙温运行中硫渗人喷嘴形成低熔点共晶硫化物,分布在奥氏体不锈钢喷嘴的晶界上;②水煤浆喷嘴可选用1Crl8Ni9T等铬-镍奥氏体不锈钢,因为在1Crl8N9不锈钢中加入钛是可以防止奥氏体钢经相应范围内保温后出现的晶间腐蚀倾向,T元素能与C元素形成稳定的TC而避免了铬的碳化物在晶界上析出而引起晶间腐蚀的可能,lCrl8Ni9不锈钢再经固溶和稳定化处理后,可以避免晶间腐蚀倾向;③通过表面渗铝工艺改善奥氏体不锈钢的抗应力腐蚀开裂性能和抗高温氧化性能等,同图3喷嘴断口表面显微组织×100时口中国煤化工学性能渗铝后铝元素(a)裂纹初期(b)裂纹末期能qCNMHG元素)形成FeA金属ig. 3 Microstructures of nozzle fracture surface x100间化合物,在高温卜其表面能影生成致密的氧化膜防(a)crack initial (b) crack terminal止氡化、渗硫和渗碳过程的进行,从而提高钢的抗氧《金属热处理》206年第31卷第4期差速器圆锥齿轮的失效分析彭彦宏,吕晓霞,陆有(1.吉林大学汽车工程学院,吉林长春130025;2.吉林大学材料科学与工程学院,吉林长春130025)Failure Analysis of Cone Gear of Differential CasePENG Yan-hong, LU Xiao-xia, LU Ye(1. School of Automobile Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130025, China2. School of Materials Science and Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130025, China)中图分类号:TG157文献标识码B文章编号02546051(200604007902某厂生产的差速器总成设计疲劳寿命为50万次,度为58-62HRC安装完毕进行台架试验运行至16万次时发出异常声1化学成分分析音,随即停止试验并对差速器总成进行解体检查,发现采用RALL6400直读光谱仪对失效齿轮进行化差速器圆锥齿轮脱齿断裂致使差速器总成不能正常学成分检验结果见表1。由表1可知,化学成分均符T作。图1为断裂齿轮实物照片。齿轮的材质为合GBT3077-199合金结构钢》的规定。20cMi钢,热处理工艺为渗碳淬火+低温回火,硬表1失效齿轮的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of the failed gear(wt%)化学CrT素标准值017~0.8<0.035<0210.100.0220.2显微组织和力学性能图2为断裂齿轮的显微组织。由2图可知,表面图1失效齿轮实物照片组织为回火马氏体+碳化物和少量残留奥氏体,马氏Fig 1 Macrograph of the failed gear体和碳化物级别为3级,心部组织为板条马氏体。齿轮的渗碳层深度为1.2mm,表面和心部硬度分别为作者简介:彭彦宏(196110-),男,吉林长春人,高级工程师,62HRC和42HRC。检测结果表明,齿轮表面、心部组硕士,主要从事汽车制动动态参数的研究工作。联系电话织和硬度均符合技术要求。图3为齿轮轴向和径向夹04315095806收稿日期:2005-1213杂物分布情况。由图3可见,轴向和径向夹杂物形态化、抗渗硫和抗渗碳能力。体不锈钢,并进行表面渗铝处理以赋予材料优良的抗4结论高温氧化性能和抗高温渗硫、渗碳性能,同时又能保证由喷嘴材料的化学成分分析可知,喷嘴材料系基体材料的整体力学性能,从而提高水煤浆喷嘴的使1Cr18N9奥氏体不锈钢,镍含量偏低且硫含量严重超用寿命。参考文献:标。喷嘴的裂纹沿着晶界扩展属于沿晶开裂断口,具[1]赵保成,朱柳姻,顾伯勤,水煤浆代油改造技术在工业采有脆性断口特征。水煤浆喷嘴长期在高温服役时,高吸锅炉中的应用[J].热能动力工程,204,19(6):34温滲硫所导致的低熔点共晶硫化物及高温渗碳所形成的碳化物大多分布在晶界在晶界上分布的低熔点共2]赵保成业采暖锅炉水煤浆代油改造技术研究[D]晶硫化物削弱了晶界的高温强度,而在晶界上形成的南京:南京工业大学,2003碳化物则降低了晶界的耐腐蚀性能,这两个因素共同强.曹欣玉、等煤浆燃烧、流动、传热和气中国煤化工杭州:浙江大学出版社,作用降低了喷嘴材料的晶界结合强度,在热应力和工CNMHG作应力的综合作用下,喷嘴发生沿晶开裂而失效。因【4高宗已明不锈钢使用于册M1,山西山西科学技术此,在制造水煤浆喷嘴时建议尽量采用含钛铬镍奥氏出版社,2003《金属热处理》2006年第3卷第4期