循環流化床鍋爐水冷壁泄漏原因分析

徐 偉，李武榮

(中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471012)

循環流化床(CFB)鍋爐具有脫硫效率高、氮氧化物排放低、燃料停留時間長、燃料適應性廣以及灰渣綜合利用價值高等優點，是一種最“潔凈”的煤燃燒技術，近年來，在國內外得到了廣泛應用。

某公司在2009 年增上了一臺310 t/h 的CFB鍋爐，該爐由煙臺現代冰輪重工有限公司設計并制造，其型式為單爐膛、單汽包、自然循環、平衡通風、雙高絕熱旋風分離器，全鋼架M 型露天布置、高溫高壓循環流化床鍋爐，設計燃料為100%煉油廠石油焦，校核燃料為50%煉油廠石油焦+50%燃料煤。

1 運行現狀

圖1 理化滲透著色

該爐水冷壁管材質為20G，規格為φ60 mm×5 mm，管道內通高溫水，操作溫度為320 ℃，操作壓力為10.3 MPa。管道外分迎火面和背火面，迎火面和背火面交界處有焊接件翅片。

本次水冷壁泄漏是該爐自2009 年投運以來的首次出現的爐管泄漏，出現泄漏后，公司及時組織技術人員進行分析并對缺陷部位進行割管，聯系兩家檢測機構對其進行了化學成分分析、力學性能分析、管道解剖分析、塊狀腐蝕產物分析、能譜分析、金相分析等理化分析。

2 檢測分析

2.1 化學成分分析

背火面編號為1 號，迎火面編號為2 號，對1號、2 號進行化學成分分析。化學成分見表1?；瘜W成分均滿足標準對20G 材質的要求。

表1 化學成分分析結果 w，%

2.2 力學性能分析

背火面編號為1 號，迎火面編號為2 號，對1號、2 號進行力學性能分析。拉伸性能結果見表2，沖擊性能結果見表3。從表2 和表3 中的測試結果可知，1 號和2 號試樣常溫拉伸符合標準要求，且兩者數值接近。1 號和2 號試樣的320 ℃高溫拉伸數值接近，強度僅較常溫稍低。1 號和2號試樣的沖擊性能數值接近。

表2 拉伸性能分析結果

表3 常溫沖擊功 J

2.3 管道解剖分析

將管道解剖觀察內表面情況。表面鼓包處周圍管道未見明顯形變，鼓包處內表面為一個腐蝕坑，腐蝕坑呈鑿槽型，腐蝕坑底部減薄至約1 mm厚。在高溫水蒸氣的壓力下，1 mm 薄壁強度不夠而破裂泄漏。腐蝕坑處的腐蝕產物呈層狀，較疏松，敲擊后即成片脫落，脫落后顯示出基體底部特征，呈多個小腐蝕坑相連形貌(見圖2)。

在鼓包附近觀察到另外三處腐蝕凸起，其中紅色箭頭所指處即為送樣時已發現的一個凸起部分。這四個腐蝕坑中有三個大約在一條直線上，且該直線所處位置緊鄰翅片處的迎火面側。凸起處是腐蝕產物體積膨脹而形成的。由測試可知，該管道為無縫管，翅片焊接的熱影響區寬度僅0.6 mm，因此熱影響區距離腐蝕坑較遠，對內表面的腐蝕坑無明顯影響，具體形貌見圖3。

對送檢的600 mm 長管道進行仔細檢測，整個管道內表面均存在一薄層磚紅色的氧化物。在迎火面的內表面存在較多的潰瘍狀的腐蝕點，而在背火面則無明顯該腐蝕特征(見圖4)。

圖2 鼓包處內外表面形貌

圖3 四處腐蝕坑形貌

2.4 塊狀腐蝕產物分析

對塊狀腐蝕產物進行X 射線衍射分析，主要為磁性氧化鐵(Fe3O4)，并有少量的Fe2O3。

2）查找相關工程實踐資料，包括企業生產中涉及的實例、生活中涉及的實例以及科研項目中的研究實例等，將這些工程實例與上述整理的知識點或者知識點組合進行對應，即完成工程實例與理論知識的結合過程。如電氣專業的課程可以與電力系統的相關工程實踐結合。

2.5 能譜分析

磚紅色氧化物表面能譜分析見表4，腐蝕潰瘍處能譜分析見表5，兩者都富含氧，其它主要含有水質中的P，Cu 和Ca 等元素。

表4 表面能譜分析

表5 腐蝕潰瘍處能譜分析

2.6 金相分析

管道夾雜物級別為D1.0，0.5e，金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為9.5 級，管道材質正常。

管道迎火面外表面有一層約8 μm 的致密氧化物層，無脫碳等異常現象(見圖5)。管道迎火面內表面磚紅色區域是一層約10～40 μm 的波浪狀的致密氧化物層(見圖6 和7)。腐蝕坑處拋光態形貌見圖8，腐蝕坑基體上方覆蓋一層較厚氧化層，氧化層具有層狀脫落特征，氧化層較疏松，有孔洞及裂紋存在。侵蝕后形貌見圖9，氧化層下的基體為正常組織，未發生脫碳及過熱球化等現象。靠近氧化層下的基體顯微硬度值為143HV0.2，管壁厚度中心處基體顯微硬度值為141HV0.2，硬度值相近。

圖5 迎火面外表面金相組織500 ×

圖6 迎火面內表面拋光態200 ×

圖7 迎火面內表面腐蝕態200 ×

圖8 腐蝕坑拋光態25 ×

圖9 腐蝕坑侵蝕態25 ×

潰瘍處特征與腐蝕坑處特征一致。潰瘍處拋光態形貌見圖10，基體上方覆蓋一層較厚氧化層，氧化層具有層狀脫落特征，氧化層較疏松，有孔洞及裂紋存在。侵蝕后形貌見圖11，氧化層下的基體為正常組織，未發生脫碳及過熱球化等現象。

圖10 潰瘍處拋光態100 ×

圖11 潰瘍處侵蝕態100 ×

2.7 水質調查分析

鍋爐汽水設計要求指標:給水pH 值8.8～9.3，爐水pH 值9～10，爐水磷酸鹽2～10 mg/L。該鍋爐自開工以來的給水、爐水主要指標進行統計，數據顯示:給水pH 值合格率偏低且超上限較多;爐水pH 值和磷酸鹽合格率偏低且均有超上限情況，特別是磷酸鹽超上限較多。

2009 年—2014 年CFB 鍋爐給水、爐水主要化驗分析統計結果見表6。

表6 2009 年—2014 年爐水主要化驗分析統計

3 失效原因

(1)管道化學成分滿足標準要求，常溫力學性能滿足標準要求。迎火面和背火面材質和性能無明顯差異。20G 爐管在使用后未發生材料性能劣化。

(2)管道夾雜物、金相組織、晶粒度正常，材料組織正常。

(3)內壁未見明顯的脫碳現象及微觀裂紋，故可排除氫損傷。

(4)垢層中主要為Fe3O4以及靠近金屬基體處垢層有分層現象也是鍋爐管堿腐蝕的特征。

(5)腐蝕坑及潰瘍的特征一致，僅僅是腐蝕程度不一樣。因此管道迎火面的內表面首先形成潰瘍狀的腐蝕點，在個別區域腐蝕點繼續腐蝕形成較大的腐蝕坑，當腐蝕坑減薄到不能承受高溫水蒸氣的壓力時就發生延性破裂泄漏，即鼓包泄漏。該管道失效起因是腐蝕。

(6)腐蝕發生在迎火面內表面，呈穿孔形式，腐蝕坑呈鑿槽型，腐蝕產物呈層狀，主要為Fe3O4。腐蝕坑及潰瘍下的基體仍保持原來基體性能，屬于延性腐蝕和爆破。水質呈堿性且有超標記錄，pH 值較高(最高值達到10.14)。資料顯示pH 值一般控制在9.3～9.7 時可更有效地避免堿腐蝕。這些腐蝕特征和水質特征與NaOH 堿腐蝕的特征完全相符，而與酸腐蝕、高溫氧腐蝕等腐蝕形式不符。

4 結語

綜合上述多項檢測數據，分析認為造成本次循環流化床鍋爐水冷壁管失效原因是水冷壁管內由于局部發生NaOH 堿腐蝕而造成管線腐蝕減薄破裂。

水冷壁管泄漏區域集中發生在標高13～15 m。爐水在水冷壁管內經過爐膛的加熱，逐步形成由水到汽水混合物的變化，水蒸汽的溶鹽能力非常小，大部分的鹽都溶解在爐水中。因此在由水到汽水混合物的變化過程中，爐水中的鹽被濃縮。在標高15 m 以上管道內主要是水蒸氣，在標高13～15 m，爐水中的鹽被濃縮最嚴重，在該處發生NaOH 堿濃縮，形成濃度更高的堿環境。高濃度的堿介質將腐蝕內表面起保護作用的鈍化氧化膜，形成腐蝕潰瘍，而產生的腐蝕產物Fe3O4不致密，介質可以不斷接觸到裸露出的基體，腐蝕繼續，管壁不斷減薄直至破裂。

在管線泄漏的原因找到之后，公司先后采取了對檢測壁厚小于4 mm 的水冷壁缺陷部位全部進行了更換，對水冷壁管內部進行了化學清洗，并對更換后的鍋爐水冷壁重新進行了防磨噴涂，同時公司也加強了對鍋爐水質的運行管理，確保鍋爐水質單項指標全部達標，自2014 年5 月份底鍋爐檢修開工后運行至今，沒有再發生水冷壁泄漏事故。