垃圾焚燒鍋爐省煤器管泄漏原因分析

黃維浩，周 薔，唐松青

（上海發電設備成套設計研究院，上海200240）

處理生活垃圾的途徑主要有三種：填埋、堆肥和焚燒，其中采用垃圾焚燒技術可減少污染，不占用土地，同時能產生熱能，因此越來越被重視。與一般鍋爐相比，垃圾焚燒燃料復雜，技術要求較高，容易出現鍋爐管泄漏等事故。為防止類似事故發生，筆者對引起省煤器管泄漏的原因進行了分析研究，并提出改進措施。

1 試驗材料與方法

某廠一臺日處理400t生活垃圾的焚燒鍋爐運行3年多后，省煤器管發生泄漏事故。該鍋爐工作壓力為1.2MPa，蒸發量為4t／h，省煤器管材料為1Cr18Ni9Ti鋼，直徑為32mm，壁厚為3mm。

試樣取自省煤器第6屏第3根管子，長度約1.2m，是整個省煤器中泄漏最嚴重的管段。對取樣管的幾何尺寸、管子內外表面氧化物以及裂紋形貌等進行了檢測與宏觀分析，取樣管的化學成分、力學性能、金相組織、掃描電鏡和能譜分析的試樣均取自取樣管向煙氣一側。

化學成分是依照GB／T 11170—2008《不銹鋼的光發射光譜分析方法》在ARL 3460光譜分析儀上進行試驗；室溫力學性能是根據GB／T 228—2002《室溫拉伸試驗方法》在 WE-60液壓式萬能材料試驗機上進行試驗；金相組織是在DMI 3000MLeica金相顯微鏡上進行試驗；電鏡和能譜分析是在型號為VECA LMU2的掃描電鏡和能譜分析儀上進行試驗。

2 試驗結果

2.1 宏觀檢驗

取樣管外壁向煙氣的一面存在積灰和銹斑，但氧化皮不明顯，沒有剝落現象（見圖1），在白色結垢處可見明顯的縱向條狀裂紋（見圖2），部分呈現多條裂紋。在背向煙氣的一面，管外壁比較光滑，接近原始狀態。

管內壁存在極薄的鐵紅色氧化層，經砂紙輕輕打磨，即可呈現白亮色的金屬基體，未見腐蝕銹斑和水垢，基本上沒有明顯的氧化和腐蝕現象，說明在此工況條件下1Cr18Ni9Ti鋼管有足夠的抗氧化能力。

圖1 省煤器管面向煙氣的外壁

圖2 省煤器管外壁裂紋

在管子泄漏處及附近壁厚都沒有減薄現象，整段管子壁厚也沒有明顯變化。

2.2 化學成分分析

取樣管的化學成分分析結果見表1。

表1 取樣管化學成分

由表1可見：該取樣管化學成分實測值與GB 13296—2007中規定的1Cr18Ni9Ti鋼的標準值相比，w（P）較高，w（Cr）和w（Ni）偏低。

2.3 力學性能試驗

取樣管的力學性能試驗結果見表2。

表2 取樣管的力學性能

由表2可見：取樣管的室溫力學性能符合GB 13296—2007標準規定的1Cr18Ni9Ti鋼的室溫力學性能要求。

2.4 金相檢驗

在取樣管縱向及橫向取樣，制備成金相試樣，在光學顯微鏡上對管子的非金屬夾雜物、腐蝕前后的裂紋形貌、金相組織等分別進行試驗和觀察。金相試樣的腐蝕試劑為王水。

2.4.1 非金屬夾雜物

取樣管中非金屬夾雜物的評定是按照GB／T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》標準進行評定。管子縱向檢查表明：A、B、C三類非金屬夾雜物均小于1級，但D類夾雜物達3級；可歸于D類的氮化物（金相顯微鏡中A處塊狀物）和氧化物成條、成堆分布（見圖3），特別在橫向試樣上也發現存在大量的氮化物等夾雜物。

圖3 管子材料非金屬夾雜物

2.4.2 顯微組織

橫截面試樣經王水侵蝕后顯微組織見圖4。1Cr18Ni9Ti鋼正常組織是奧氏體加少量第二相，實際組織為奧素體加大量的第二相，晶內存在孿晶和滑移線。從圖4可看到類似劃痕的線條狀組織，這種組織實際上是呈斷斷續續的點狀或短條狀第二相，并且大多都止于晶界。

圖4 王水侵蝕后組織

2.4.3 試樣腐蝕前裂紋形貌

橫截面試樣經打磨和拋光后直接觀察，可以發現多條裂紋，其形貌和分布情況見圖5。

圖5 腐蝕前的裂紋形貌

2.4.4 試樣經腐蝕后的裂紋

試樣經腐蝕后，內部裂紋形貌見圖6。

圖6 腐蝕后的裂紋形貌

從圖6可看出：裂紋從管子外壁向內深入，呈現分叉狀，有些幾乎裂穿，有些裂紋切向發展；裂紋大多為穿晶斷裂，部分呈沿晶斷裂。

2.5 掃描電鏡及能譜分析

2.5.1 掃描電鏡（SEM）圖像

用型號為VECA LMU2的掃描電鏡分別對管子橫斷面上的裂紋以及裂紋斷口進行了觀察和分析，結果見圖7和圖8。

圖7 管子橫斷面上的裂紋分布形貌

圖8 裂紋斷口掃描電鏡形貌

2.5.2 裂紋表面腐蝕產物射線能譜 （EDS）分析

裂紋打開后，分別對超聲波清洗前后的斷口表面的腐蝕產物進行了能譜分析，結果表明：斷口腐蝕產物中的主要元素是Fe、O、Cr、C等，同時存在S、K和Na等元素。清洗后的表面腐蝕產物能譜分析結果見圖9和表3。

圖9 斷口清洗后的腐蝕產物能譜分析結果

表3 斷口清洗后腐蝕產物能譜分析結果

2.5.3 鋼管外壁白色結垢能譜分析

對鋼管外壁白色結垢進行了能譜分析，結果見表4。

表4 鋼管外壁白色結垢表面能譜分析結果

分析表明：外壁白色結垢主要元素為O、Ca、C、Si和Al等，也存在S和Na等元素。

2.5.4 裂紋內腐蝕產物能譜分析

橫截面金相試樣經王水腐蝕后對裂紋內的腐蝕產物進行了能譜分析，結果見表5。

表5 裂紋內腐蝕產物能譜分析結果

從表5可知：裂紋內腐蝕產物主要元素為O、Fe、Cr等，也發現存在元素S。

3 分析討論

省煤器主要作用是吸收煙氣余熱加熱鍋爐給水，降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率。垃圾焚燒鍋爐的省煤器的特點是高溫段承受的煙氣溫度較高。

省煤器泄漏和爆管的原因主要有飛灰磨損［1］、管束振動［2］、由于燃燒不當使管內沸騰度過高產生汽水沖刷［3］、氧化腐蝕［4］和材料及焊接問題等。根據取樣管的宏觀分析結果，管子表面沒有明顯的磨損和減薄，裂紋呈縱向分布，可以基本上排除由飛灰磨損和管束振動引起爆管的原因，據此認為省煤器鋼管爆管的原因可能與腐蝕和原材料有關。

省煤器的腐蝕包括管內腐蝕和管外腐蝕：管內腐蝕主要是由氧引起的，可稱吸氧腐蝕；管外腐蝕屬于硫酸腐蝕，也叫低溫腐蝕。一般鍋爐省煤器的管外腐蝕通常只發生在低溫段，而作為垃圾焚燒鍋爐的省煤器在燃燒不穩定時，高溫段部位還有可能承受與硫酸鹽有關的熔鹽腐蝕。

取樣管橫截面上存在多條裂紋，裂紋都從鋼管外壁發生，向內擴展。許多裂紋呈現分叉，并出現切向發展。在裂紋中存在大量腐蝕產物。

由于在燃料中含有一定的S，在燃燒時S與空氣里的O2作用，使煙氣中含有一定量的SO2和SO3，也含有水蒸氣，在較低的煙氣溫度下就會生成亞硫酸和硫酸蒸汽。如果鍋爐省煤器管壁溫度低于煙氣的露點溫度時，亞硫酸和硫酸蒸汽就會凝結在管壁上，形成亞硫酸和硫酸溶液，極易發生硫腐蝕。煙氣中SO2對露點的影響不大，而SO3對露點的影響很大：其含量越高，則露點溫度越高；無SO3的煙氣，露點約為50℃；若煙氣中含有少量SO3，就會使露點溫度明顯升高，可達120～160℃。管壁溫度越低或煙氣的露點溫度越高，則越易發生硫的低溫腐蝕。

掃描電鏡下能觀察到各種形態的腐蝕產物。能譜分析表明：在腐蝕產物中存在一些S、K和Na等元素，K和Na與煙氣中的SO3反應生成硫酸鉀和硫酸鈉，其熔點溫度在877℃左右，在Fe2O3等化合物的作用下，生成復合硫酸鹽（K3Fe（SO4）3和 Na3Fe（SO4）3的混合物）；當K與Na的摩爾比值在1～4時，復合硫酸鹽的熔點會降低至552℃。該垃圾焚燒鍋爐燃燒區的溫度最高可以達到850℃以上，因此燃燒過程中產生的復合硫酸鹽會吸附在省煤器管子的表面，從而產生高溫熔鹽腐蝕；同時，一般在金屬外壁發生的復合硫酸鹽腐蝕的面積較大，而該鍋爐中大部分省煤器管子向煙氣側均有開裂和泄漏現象，所以高溫熔鹽腐蝕也是造成該省煤器管泄漏的原因之一。

4 結語

根據取樣管的系列試驗結果可以看出：該省煤器管的材料為1Cr18Ni9Ti，但材料中P含量超標，而Cr和Ni的含量均低于標準值；取樣管的室溫力學性能符合相關標準的要求；取樣管材料中夾雜物含量高，D類夾雜物為3級，不合格；取樣管材料的顯微組織不正常，沒有按規范進行固溶處理。根據裂紋形態、擴展方向以及腐蝕產物分析結果來看，引起該省煤器管的開裂和泄漏的原因主要是因為低溫硫腐蝕和高溫熔鹽腐蝕共同作用的結果。

為減輕或防止該省煤器的腐蝕開裂，建議采取如下措施：

（1）使用0Cr18Ni12Mo2（316L）高壓管替代1Cr18Ni9Ti鋼管，以提高抗硫腐蝕性能，并按規范進行固溶處理，必要時加穩定化處理。

（2）在燃燒時添加如石灰石、白云石等，以吸收或中和煙氣中的SO3，或用其他方法脫硫，從而減少煙氣中的SO3含量，降低結露溫度，減少酸腐蝕。

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