某化工廠自備電站鍋爐水冷蒸發(fā)屏爆管原因分析

(福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 福建 350008)

某化工廠自備2號電站鍋爐為采用單汽包、自然循環(huán)和循環(huán)流化床燃燒方式的鍋爐。該鍋爐由膜式水冷壁爐膛、汽冷式旋風(fēng)分離器和由汽冷包墻包覆的尾部豎井組成，其中，膜式水冷壁爐膛內(nèi)配有屏式過熱器和水冷蒸發(fā)屏。鍋爐投產(chǎn)運(yùn)行11 800 h后，在半個月內(nèi)發(fā)生3次水冷蒸發(fā)屏爆管事故。其中，水冷蒸發(fā)屏規(guī)格為φ60 mm×6 mm，材料為20G鋼。鍋爐額定蒸發(fā)量為130 t·h-1，高溫過熱蒸汽出口壓力為9.81 MPa，出口蒸汽溫度為540 ℃，給水溫度為215 ℃，鍋筒飽和水溫度為318 ℃。為了查明水冷蒸發(fā)屏爆管發(fā)生的原因，保障鍋爐安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，筆者對該鍋爐爆管原因進(jìn)行了分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

圖1 2號鋼管爆口的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of No.2 steel tube

對3次爆管的水冷蒸發(fā)屏鋼管爆口進(jìn)行宏觀觀察，3次爆管的鋼管分別編號為1，2，3號。1號鋼管的爆口位于右水冷蒸發(fā)屏下穿墻橫管下數(shù)第4根(澆注料內(nèi))，爆口直徑為10 mm，鋼管未出現(xiàn)脹粗現(xiàn)象。由于操作人員對爆口處進(jìn)行堆焊搶修后鍋爐重啟運(yùn)行，無法查看1號鋼管內(nèi)壁的情況。2號鋼管的爆口位于右水冷蒸發(fā)屏下部前數(shù)第6根澆注料上方5 mm處，其宏觀形貌如圖1所示。可見該爆口呈核桃狀，長度為40 mm，寬度為25 mm，鋼管未出現(xiàn)脹粗現(xiàn)象，爆口呈現(xiàn)出脆性爆破的特征。沿縱向剖開管段后，可見其內(nèi)壁有潰瘍狀腐蝕坑，腐蝕坑區(qū)域有較厚的黑色沉積物，該沉積物質(zhì)地較硬且不易剝落。敲除部分沉積物后，管壁表面呈磚紅色。2號鋼管管壁其他部位被紅銹覆蓋。3號鋼管的爆口位于左水冷蒸發(fā)屏前數(shù)第2根和第20根澆注料上方5 mm處，該鋼管的內(nèi)壁腐蝕坑形貌和2號鋼管的類似。

對2，3號鋼管爆口同高度的左、右水冷蒸發(fā)屏全部鋼管的管壁厚度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)左水冷蒸發(fā)屏前數(shù)第1，7，12，19，21根鋼管管壁減薄較嚴(yán)重，剖開第1根鋼管，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)壁結(jié)垢較多，管壁減薄處有腐蝕坑，如圖2所示。現(xiàn)場檢查運(yùn)行記錄后發(fā)現(xiàn)，該鍋爐為配合生產(chǎn)線需要存在超負(fù)荷運(yùn)行情況，運(yùn)行蒸發(fā)量在90～161 t·h-1波動。此外，該鍋爐還發(fā)生過多起爐床超溫結(jié)焦事故。

1.2 化學(xué)成分分析

在2，3號鋼管的爆口附近取樣，使用FOUNDR-MASTER PRO型全譜火花直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可知，2，3號鋼管的化學(xué)成分符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對20G鋼的技術(shù)要求。

圖2 第1根鋼管內(nèi)壁的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of inner wall of the first steel tube

%

1.3 金相檢驗(yàn)

在2號鋼管內(nèi)壁的腐蝕坑部位和其他未腐蝕部位分別取樣，將試樣打磨、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，使用Axio Observer.A1m型研究級倒置萬能顯微鏡對浸蝕前的腐蝕坑部位試樣、浸蝕后的腐蝕坑部位試樣、未腐蝕部位試樣進(jìn)行顯微組織觀察，如圖3所示。可見浸蝕前腐蝕坑部位有裂紋，見圖3a)；浸蝕后腐蝕坑部位的顯微組織為鐵素體+珠光體,未發(fā)現(xiàn)球化的珠光體，這說明鋼管不存在高溫老化現(xiàn)象；腐蝕產(chǎn)物為層狀，基體晶界有微裂紋，在基體與腐蝕產(chǎn)物的交界處腐蝕產(chǎn)物沿晶間裂紋向基體方向延伸，見圖3b)；未腐蝕部位顯微組織為鐵素體+珠光體，見圖3c)。

圖3 2號鋼管不同部位的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of different parts of No.2 steel tube: a) corrosion pit part before erosion; b) corrosion pit part after erosion; c) non corrosive part

1.4 微觀分析

在2號鋼管的爆口和內(nèi)壁取樣，采用SUPRA 55型掃描電鏡(SEM)對試樣進(jìn)行觀察，可見爆口斷面有裂紋和孔洞，見圖4a)；爆口處腐蝕坑腐蝕產(chǎn)物剝落后表面有網(wǎng)狀裂紋和氣泡狀蝕孔，見圖4b)；鋼管內(nèi)壁部分結(jié)垢處存在小腐蝕坑，見圖4c)。

圖4 2號鋼管爆口和內(nèi)壁的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of burst and inner wall of No.2 steel tube: a) burst section; b) corrosion pit of burst; c) inner wall of steel tube

對2號鋼管爆口腐蝕坑[圖4b)中A區(qū)域]和非爆口內(nèi)壁結(jié)垢處[圖4c)中B區(qū)域]用X-max 50型能譜儀(EDS)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果分別如圖5和圖6所示。可見鋼管爆口腐蝕坑處氯元素較富集，腐蝕坑外氧元素較富集，推測腐蝕坑由氯離子與溶解氧的電化學(xué)腐蝕作用而形成。鋼管非爆口內(nèi)壁結(jié)垢區(qū)域的小腐蝕坑處存在多種元素，推測垢層中有磷酸鹽等。

圖5 2號鋼管爆口腐蝕坑及其附近的EDS分析結(jié)果及元素分布情況Fig.5 EDS analysis result and element distribution of corrosion pit and its nearby of burst of No.2 steel tube

圖6 2號鋼管非爆口內(nèi)壁結(jié)垢處的EDS分析結(jié)果及元素分布情況Fig.6 EDS analysis result and element distribution of fouling area on the inner wall away from burst of No.2 steel tube

1.5 垢層分析

根據(jù)DL/T 1151.1～1151.22-2012《火力發(fā)電廠垢和腐蝕產(chǎn)物分析方法》，對左水冷蒸發(fā)屏前數(shù)第1根鋼管內(nèi)壁非腐蝕坑處的垢層密度和組成進(jìn)行分析，結(jié)果顯示垢層密度為234.0 g·m-3，結(jié)垢較嚴(yán)重，垢層的組成如表2所示。由表2可見，垢層的組成物質(zhì)具有多樣性。

1.6 腐蝕產(chǎn)物的X射線衍射分析

對2號鋼管爆口處的腐蝕產(chǎn)物取樣，采用Rigaku ultima III型X射線衍射儀對試樣進(jìn)行X射線衍射分析。由圖7可見，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4并有少量Fe2O3。對這兩相的衍射峰強(qiáng)度進(jìn)行定量分析，可得到Fe3O4和Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為93.9%和6.1%。

表2 水冷蒸發(fā)屏鋼管垢層的組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Compositions of scale layer of water-cooled evaporation screen (mass fraction) %

圖7 2號鋼管腐蝕產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果Fig.7 XRD analysis result of corrosion product of No.2 steel tube

1.7 水氣質(zhì)量分析

根據(jù)GB/T 12145-2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》的要求，鍋爐給水應(yīng)采用爐水固化堿化劑(磷酸鹽和氫氧化鈉)處理的還原性全揮發(fā)處理鍋爐水。抽查鍋爐投運(yùn)以來水氣質(zhì)量監(jiān)督的化驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)監(jiān)督指標(biāo)存在超標(biāo)現(xiàn)象，其中，蒸汽品質(zhì)主要的監(jiān)督項(xiàng)目二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到50 600 μg·kg-1，遠(yuǎn)超GB/T 12145-2016中二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于15 μg·kg-1的要求，鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到47 010 μg·kg-1，遠(yuǎn)超GB/T 12145-2016中鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5 μg·kg-1的要求,給水溶解氧的質(zhì)量濃度最高達(dá)到681 μg·L-1，遠(yuǎn)超GB/T 12145-2016中溶解氧的質(zhì)量濃度不大于7 μg·L-1的要求；大部分鍋爐給水、鍋爐水的pH和磷酸根含量不符合GB/T 12145-2016的要求，推測是由于鍋爐運(yùn)行不規(guī)范、負(fù)荷波動大、排污不到位導(dǎo)致多項(xiàng)水氣指標(biāo)存在超標(biāo)。

近年來，隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，秸稈能源化利用得到了高度重視，國家相繼出臺了一系列鼓勵和支持相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策法規(guī)。在這些政策法規(guī)的鼓勵和支持下，國內(nèi)生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，截至2009年底，全國已有生產(chǎn)廠家260余處，生產(chǎn)能力每年約76. 6 萬t[13]。國內(nèi)生物質(zhì)固體成型燃料主要用作農(nóng)村居民戶用炊事、取暖、住宅區(qū)取暖、工業(yè)鍋爐以及發(fā)電廠等的燃料，可減少一次能源的損耗，增加生態(tài)效益；減少溫室氣體排放，增加環(huán)境效益；為農(nóng)民增收，增加社會效益[14]。

2 分析與討論

從上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，失效鋼管的化學(xué)成分及顯微組織均符合相關(guān)技術(shù)要求，鋼管材料不存在問題。對照文獻(xiàn)[1-3]可知鍋爐發(fā)生爆管不是垢下堿腐蝕、水垢阻礙熱傳導(dǎo)而形成局部過熱爆管、氫損傷等原因造成，而是由其他原因綜合造成。

2.1 垢下氧腐蝕

水氣系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)離子導(dǎo)致鋼管表面出現(xiàn)結(jié)垢和腐蝕等現(xiàn)象，在氧超標(biāo)時就會造成垢下氧腐蝕。鍋爐給水一般經(jīng)過嚴(yán)格的脫氧處理，但如果脫氧效果不好，給水中氧元素濃度就會超標(biāo)。大量氧元素的侵蝕會使鍋爐鋼管內(nèi)壁表面發(fā)生電池反應(yīng)形成坑狀腐蝕或局部腐蝕從而導(dǎo)致鋼管失效[3-5]。腐蝕反應(yīng)機(jī)理如下

陽極區(qū)反應(yīng)

Fe→Fe2++2e-

(1)

陰極區(qū)反應(yīng)

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

后續(xù)反應(yīng)

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(3)

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓

(4)

(5)

由于鍋爐給水中的氧元素濃度長期超標(biāo)，氧腐蝕成為水冷蒸發(fā)屏爆管的一個主要因素，由腐蝕產(chǎn)物的XRD檢測結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物的物相組成中Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到93.9%，這與氧腐蝕的結(jié)果較吻合。由于氧濃度增大有利于陰極區(qū)反應(yīng)向正向進(jìn)行，因此，當(dāng)鍋爐水中氧濃度增大時(質(zhì)量濃度最高達(dá)到681 μg·L-1)，會加大鍋爐鋼管內(nèi)壁的氧腐蝕程度。氧腐蝕通常發(fā)生在鍋爐煙道尾部的省煤器入口和水冷壁系統(tǒng)，主要由鋼管內(nèi)壁結(jié)垢引起[5]。由垢樣分析結(jié)果可知水冷蒸發(fā)屏鋼管內(nèi)壁垢量較多。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，水冷蒸發(fā)屏集箱底部排污閥不是快開閥，且鍋爐運(yùn)行中定排工作不到位，這導(dǎo)致水冷蒸發(fā)屏鋼管內(nèi)壁大量結(jié)垢，為垢下氧腐蝕提供了條件。

2.2 氯離子及氧腐蝕

水氣系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)離子中氯離子的危害較嚴(yán)重，會使鋼管表面由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，從而破壞鋼管表面的保護(hù)膜[6]。GB/T 12145-2016中對鍋爐額定工作壓力為12.7 MPa以下的鍋爐水中氯離子的濃度未做要求，所以水氣化驗(yàn)中通常未對該項(xiàng)進(jìn)行監(jiān)測。從能譜分析結(jié)果可知，鋼管爆口腐蝕坑處氯元素較富集，說明鍋爐水中存在氯離子。含氯離子的鍋爐水對碳素鋼的腐蝕性較小，但加入氧氣后，鋼表面的析氫速率會迅速增加，且鋼表面有孔蝕現(xiàn)象出現(xiàn)[7-9]。在陽極極化的條件下，介質(zhì)中的氯離子可使金屬發(fā)生孔蝕，隨著氯離子濃度的增加，孔蝕電位下降，孔蝕更容易發(fā)生并加速進(jìn)行。當(dāng)鍋爐水中同時存在氯離子和溶解氧時，鍋爐鋼管蒸發(fā)受熱面上溶解氧較多的部位與供氧受阻的部位就會形成供氧差異腐蝕電池，高溫下該腐蝕會加速進(jìn)行直到鋼管破裂[8]。腐蝕反應(yīng)機(jī)理如下

貧氧區(qū)反應(yīng)

3Fe→Fe2++2Fe3++8e-

(6)

2Fe2++1/2O2+8Cl-+H2O→2[FeCl4]+2OH-

(7)

Fe2++2Cl-→FeCl2

(8)

FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+2HCl

(9)

Fe+2HCl→FeCl2+H2

(10)

富氧區(qū)反應(yīng)

3Fe→Fe2++2Fe3++8e-

(11)

4Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH-

(12)

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(13)

4Fe(OH)2+O2→2Fe2O3+4H2O

(14)

腐蝕坑腐蝕產(chǎn)物剝落后其表面氣泡狀蝕孔內(nèi)氯元素濃度明顯較高，說明氯離子富集在蝕孔處，導(dǎo)致氧元素濃度較低形成貧氧區(qū)，蝕孔外氧元素濃度較高形成富氧區(qū)。

2.3 其他因素

由于鍋爐存在較大的負(fù)荷波動，其運(yùn)行蒸發(fā)量最高時達(dá)到157 t·h-1，最低時為90 t·h-1，爐床發(fā)生過多次超溫結(jié)焦事故造成停爐，這些因素會造成鍋爐的水冷壁和水冷蒸發(fā)屏鼓包，還會導(dǎo)致水冷蒸發(fā)屏的受熱面鋼管產(chǎn)生低頻高強(qiáng)度周期性應(yīng)力。當(dāng)腐蝕產(chǎn)生后，在周期性應(yīng)力的作用下，鋼管的管壁膨脹導(dǎo)致其表面的氧化膜和腐蝕產(chǎn)物剝落或破裂，暴露出的鋼管表面受到滲入介質(zhì)(氯離子、溶解氧)的腐蝕后形成微孔和裂紋，裂紋在下一個膨脹周期繼續(xù)加深，最終導(dǎo)致爆管。

3 結(jié)論及建議

鍋爐由于運(yùn)行不規(guī)范及排污不到位，多項(xiàng)水氣指標(biāo)存在超標(biāo)，造成水冷蒸發(fā)屏鋼管內(nèi)壁結(jié)垢，加上鍋爐給水中氧元素濃度長期嚴(yán)重超標(biāo)引起垢下氧腐蝕、氯離子及氧腐蝕，在周期性應(yīng)力的作用下，管壁上形成裂紋且裂紋不斷加深，最終導(dǎo)致爆管。

建議加強(qiáng)檢查以確保鍋爐鍋筒、水冷蒸發(fā)屏進(jìn)口集箱和水冷壁下集箱等排污系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；加強(qiáng)檢驗(yàn)監(jiān)督，提高鍋爐給水和鍋爐水品質(zhì)，加強(qiáng)水氣化驗(yàn)結(jié)果的可靠性、及時性和聯(lián)動性，發(fā)現(xiàn)水氣質(zhì)量超標(biāo)時及時處理；禁止鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行，保持其平穩(wěn)運(yùn)行；有條件停爐時，需對水冷蒸發(fā)屏鋼管進(jìn)行普查，對發(fā)生減薄的管段進(jìn)行更換處理；停爐時做好保養(yǎng)，有條件時開展化學(xué)清洗。