循環流化床鍋爐高溫過熱器泄漏原因分析

于程煒1，賴云亭，朱保印，左敦桂，張國棟

(1. 天津國華盤山發電有限責任公司，天津 300000；2. 蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

鍋爐高溫過熱器是鍋爐內溫度最高的受熱面管，其失效是引起鍋爐停運的最主要原因之一[1-3]。鍋爐高溫過熱器管內高溫高壓蒸汽流速較快，管外為高溫煙氣，過熱器管壁內外溫差較大，容易產生超溫(運行中鍋爐出口蒸汽溫度或受熱面管管壁溫度超過其規定值的現象)和管壁腐蝕。15CrMoG合金鋼[4-5]長期在高溫、高壓環境中服役，高溫和應力作用會提高原子活躍度和加快原子擴散，引起組織與性能變化，降低材質對硫、氫、煙氣[6-8]等介質的耐腐蝕性能。

某電廠2臺75T型流化床鍋爐于2010年投入運行，鍋爐高溫過熱器采用Φ42 mm×3.5 mm鋼管，材料為15CrMoG，管道順列布置，橫向節距為90 mm，過熱器管道外部煙氣溫度為700～800 ℃，管內蒸汽溫度為380 ℃。運行6 a后，水壓試驗發現1號鍋爐和2號鍋爐各有一根高溫過熱器管道(用1號管和2號管表示)在彎頭處發生泄漏，泄漏位置如圖1所示。截至泄漏時，2臺鍋爐輪流運行，每臺總運行時間約22 000 h。本工作通過宏觀檢查、化學成分分析、硬度試驗、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法對發生泄漏的高溫過熱器管段開展理化檢驗，分析了高溫過熱器管的泄漏原因，為保障機組安全運行提供技術參考。

圖1 泄漏彎頭在高溫過熱器中的位置Fig.1 Positions of leaky elbows in high temperature super-heaters

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀檢查

高溫過熱器失效管的宏觀腐蝕形貌如圖2所示。宏觀檢查發現:高溫過熱器管外壁結垢嚴重，局部區域出現蛻皮現象；1號彎頭外壁垢層厚約2.07 mm，2號彎頭外壁垢層厚約2.54 mm；兩個泄漏點均位于彎頭外弧靠近迎煙側，呈孔狀形貌；1號彎頭泄漏點直徑約3 mm，2號彎頭泄漏點直徑約2 mm；送檢管均未見明顯的脹粗，但彎頭外弧側的壁厚均偏低，僅為3 mm左右，而直管段壁厚為3.5 mm。

(a) 整體形貌

(b) 1號彎頭，局部形貌

(c) 2號彎頭，局部形貌

1.2 化學成分分析

從1號管的直管段取樣，進行化學成分分析，結果見表1。化學成分分析結果表明，該失效管的化學成分符合GB 5310—2008標準《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMoG鋼的要求。

表1 失效管的化學成分(質量分數)

1.3 硬度試驗

從1號、2號管的彎頭內外弧側及直管段取樣，進行維氏硬度檢驗，結果如表2所示。結果表明，高溫過熱器失效管彎頭處的硬度均高于DL/T 438—2016標準《火力發電廠金屬技術監督規程》中對15CrMo鋼的硬度要求(118～180 HB，參照ISO 18265標準，相當于125～190 HV)的上限，直管段的硬度滿足要求。

表2 失效管不同位置的硬度

1.4 金相分析

高溫過熱器管的不同位置取樣進行金相檢驗，結果見圖3和圖4。金相檢驗結果表明，高溫過熱器管泄漏點由內壁側向外壁側呈減小的喇叭形，泄漏點處微觀組織沒有明顯的塑性變形及過熱蠕變特征，泄漏點附近及直管段組織均為珠光體+鐵素體，老化程度為輕度老化。

(a) 彎頭泄漏點處，低倍

(b) 彎頭泄漏點處，高倍

(c) 彎頭基體

(d) 直管段基體

(a) 彎頭泄漏點處，低倍

(b) 彎頭泄漏點處，高倍

(c) 彎頭基體

(d) 直管段基體

1.5 掃描電鏡及能譜分析

從失效管泄漏點附近內、外表面取垢樣進行掃描電鏡觀察及能譜分析，結果如圖5和圖6所示。圖5中的能譜分析結果表明:兩根高溫過熱器管道外壁垢的主要成分為鐵氧化物，同時含有較高的腐蝕性元素硫，及灰分元素鉀、鈣等。對高溫過熱器管泄漏點處彎頭剖開，從其宏觀腐蝕形貌可見，泄漏點處內壁有較多的腐蝕坑，腐蝕較為嚴重，1號管腐蝕坑最深達2.02 mm，2號管腐蝕坑最深達1.35 mm，且腐蝕坑均集中于彎頭的最下部內表面，其余位置未發現明顯的腐蝕坑。圖6中的能譜分析結果表明:內壁腐蝕坑處的主要成分為鐵氧化物，同時含有少量的鈣、鎂及硫元素。

(a) 1號管，SEM形貌

(b) 1號管，EDS譜

(c) 2號管，SEM形貌

(d) 2號管，EDS譜

2 分析與討論

兩段高溫過熱器管均在彎頭外弧底部發生泄漏。化學分析結果表明，其化學成分符合GB 5310—2008標準要求。失效管直管段的硬度符合DL/T 438—2016標準要求，但彎頭處硬度高于標準規定的上限。金相分析結果顯示，泄漏點附近及直管段組織均為珠光體+鐵素體，老化程度較輕，這表明該泄漏管段的材料滿足標準要求，未出現明顯劣化，而彎頭硬度過高是由于彎管后加工硬化引起的，與運行無關。進一步分析發現，泄漏點內壁嚴重腐蝕，腐蝕坑較深，腐蝕坑處管壁減薄嚴重。1號管腐蝕坑最深達2.02 mm，2號管腐蝕坑最深達1.35 mm， 且腐蝕坑均集中于彎頭最下部的內表面，其余位置未發現明顯的腐蝕坑。能譜分析結果表明，內壁腐蝕坑處的主要成分為鐵的氧化物，同時含有少量的鈣、鎂及硫元素。1號和2號鍋爐自2010年投運以來輪流運行，鍋爐高溫過熱器管豎向布置，在停爐期間，下彎頭底部有積水，極易在該處形成積垢，從而造成局部電化學腐蝕[6-7]。積垢中氧化物的電位較高，為陰極，而金屬壁電位較低，為陽極，陽極的鐵離子不斷溶入爐水，與氧化鐵生成新的高價氧化鐵，如式(1)所示，最終在彎頭底部形成較深的腐蝕坑，同時，腐蝕坑內外氧含量存在差別，形成氧濃差電池，使已產生的點蝕孔不斷發展。

(1)

(a) 1號管，宏觀腐蝕形貌

(b) 1號管，SEM形貌

(c) 1號管，EDS譜

(d) 2號管，宏觀腐蝕形貌

(e) 2號管，SEM形貌

(f) 2號管，EDS譜

此外，泄漏點外壁存在嚴重的結垢現象。外壁垢的能譜分析結果表明，垢中含有較多硫元素，這是由于當含有一定量硫、鈉和鉀等化合物的燃料燃燒后，灰垢中的K2SO4和Na2SO4與含有SO2的煙氣及管外壁氧化鐵作用形成堿金屬復合硫酸鹽 K2Fe(SO4) 及Na5Fe(SO4)5。這種復合硫酸鹽在550～710 ℃范圍內熔化成液態，具有強烈腐蝕性。這種煙氣的腐蝕作用加速了外壁的腐蝕結垢，導致高溫過熱器管壁減薄。最終，在電化學腐蝕和煙氣腐蝕共同作用下，管壁不斷減薄直至泄漏。

3 結論及建議

高溫過熱器管泄漏的主要原因為彎頭底部積水產生電化學腐蝕，造成壁厚嚴重減薄；同時，外壁的煙氣腐蝕結垢加劇了管壁的減薄，當腐蝕坑底部壁厚最薄處應力高于材料強度時，管段發生泄漏失效。針對高溫過熱器管泄漏的原因，提出以下建議。

(1) 在鍋爐停爐期間，排出爐管底部積水，從而減少內壁腐蝕，延長過熱器的使用壽命；

(2) 優化高溫過熱器彎頭結構，避免彎頭停爐積水；

(3) 控制并改善水質，盡量降低水中有害元素的含量；

(4) 擴大高溫過熱器管段彎頭處檢查，對內壁腐蝕較嚴重管段進行更換。