某鍋爐高溫汽包封頭腐蝕減薄原因分析

劉 元,朱國(guó)斌,孫國(guó)鋒

(1. 嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程分院，嘉興 314031； 2. 浙江國(guó)檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，海鹽 314300)

汽包封頭即壓力容器上端蓋，是壓力容器的一個(gè)主要承壓部件，對(duì)壓力容器起到密封作用，其品質(zhì)直接關(guān)系到壓力容器的長(zhǎng)期、安全、可靠運(yùn)行。腐蝕是導(dǎo)致壓力容器汽包封頭減薄，最終泄漏失效的主要原因之一[1-2]。因此，研究汽包封頭的腐蝕機(jī)理、分析其腐蝕原因，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，對(duì)壓力容器的安全運(yùn)行具有重要意義。

某電熱公司鍋爐在運(yùn)行了16個(gè)月后，其汽包封頭發(fā)生較嚴(yán)重腐蝕情況。該鍋爐的額定蒸發(fā)量為230 t/h，額定蒸汽溫度為540 ℃，工作壓力為9.8 MPa，發(fā)生腐蝕的汽包封頭材料為Q235B鋼，工作壓力為10.8 MPa，工作溫度為316 ℃。通過(guò)汽包封頭宏微觀腐蝕形貌、腐蝕產(chǎn)物成分、組織和化學(xué)成分分析及硬度測(cè)試，并結(jié)合鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況，分析了該汽包封頭腐蝕的原因，并提出相應(yīng)的對(duì)策。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀形貌分析

對(duì)腐蝕的汽包封頭試樣進(jìn)行宏觀檢查，將試樣左右兩部分標(biāo)記為1#、2#，如圖1所示。1#、2#兩個(gè)區(qū)域的宏觀形貌存在明顯差異。其中，1#區(qū)域表面較為平整，銹蝕嚴(yán)重，2#區(qū)域表面粗糙，且覆蓋一層多孔的灰白色物質(zhì)。從1#區(qū)域表面低倍形貌可見(jiàn)，其表面存在大量沿一定方向分布的腐蝕溝槽，如圖2所示，經(jīng)測(cè)量，1#區(qū)域壁厚約為5.29 mm。從2#區(qū)域表面低倍形貌可見(jiàn)，其表面灰白色覆蓋層中存在大量不規(guī)則的孔洞，如圖3所示，經(jīng)測(cè)量，2#區(qū)域壁厚約為8.06 mm。

圖1 腐蝕汽包封頭的宏觀形貌

圖2 1#區(qū)域表面低倍形貌

圖3 2#區(qū)域表面低倍形貌

1.2 腐蝕產(chǎn)物成分分析

采用掃描電鏡及其附帶的能譜儀(EDS)對(duì)汽包封頭1#和2#區(qū)域表面進(jìn)行成分檢測(cè)，分析位置和結(jié)果如圖4和表1所示。

結(jié)果表明：1#區(qū)域除基體元素Fe、Si外還存在大量的O元素與少量的S元素；2#區(qū)域存在大量的Ca、S、O元素，可以推斷灰白色覆蓋物成分應(yīng)為CaSO4，為水垢的主要成分。

1.3 金相檢驗(yàn)

從汽包封頭1#區(qū)域芯部截取試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，1#區(qū)域的顯微組織為鐵素體+珠光體，并存在一定的帶狀組織。

根據(jù)GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1#區(qū)域非金屬夾雜物進(jìn)行鑒別。結(jié)果表明，1#區(qū)域中A類硫化物(細(xì)系)為2級(jí)，D類球狀氧化物為1級(jí)。

(a) 1#區(qū)域

(b) 2#區(qū)域

表1 1#和2#區(qū)域表面能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖5 1#區(qū)域顯微組織

使用掃描電鏡觀察腐蝕汽包封頭1#區(qū)域的截面，如圖6所示。從圖6中可見(jiàn)，靠近腐蝕表面的深色區(qū)域?yàn)楦g層，內(nèi)側(cè)淺色區(qū)域?yàn)榛w金屬，在腐蝕層與基體交界處可見(jiàn)明顯的腐蝕孔洞。腐蝕孔洞放大后的微觀形貌如圖7所示。在腐蝕層區(qū)域可見(jiàn)分布少量條狀白色物質(zhì)，如圖8所示，經(jīng)能譜分析可知，該物質(zhì)含有大量的O元素與S元素，推斷為硫酸鹽類物質(zhì)。

圖6 腐蝕汽包封頭截面的SEM形貌

圖7 腐蝕孔洞的微觀形貌

圖8 腐蝕層的微觀形貌

1.4 硬度檢測(cè)

對(duì)腐蝕汽包封頭1#區(qū)域進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，并根據(jù)DIN 50150-2000《金屬材料試驗(yàn) 硬度值的換算》標(biāo)準(zhǔn)將實(shí)測(cè)硬度換算為強(qiáng)度。結(jié)果表明，該區(qū)域平均硬度為151 HV，相當(dāng)于抗拉強(qiáng)度480 MPa，滿足GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于Q235B材料的使用要求。

1.5 化學(xué)成分分析

對(duì)腐蝕汽包封頭1#區(qū)域的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，腐蝕汽包封頭的化學(xué)成分符合GB/T 700-2006及 GB 150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于Q235B材料的規(guī)定。

表2 1#區(qū)域的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2 腐蝕原因分析

腐蝕汽包封頭的基體組織、非金屬夾雜物、硬度、化學(xué)成分均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，基體材料不是引起汽包封頭減薄的原因。宏觀形貌顯示，1#區(qū)域表面存在大量沿一定方向的腐蝕溝槽， 2#區(qū)域表面覆蓋一層灰白色物質(zhì)，中間存在大量不規(guī)則的腐蝕凹坑，屬典型沖刷腐蝕磨損特征[3-4]。經(jīng)測(cè)量，1#區(qū)域壁厚約為5.29 mm，2#區(qū)域壁厚約為8.06 mm，1#區(qū)域壁厚明顯減薄，說(shuō)明該區(qū)域被腐蝕沖刷。能譜分析顯示，2#區(qū)域表面的灰白色物質(zhì)為CaSO4，為水垢的主要成分，1#區(qū)域表面存在少量的S元素，同時(shí)腐蝕金屬層析出的白色條狀物質(zhì)同樣為硫酸鹽物質(zhì)。汽包的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖顯示，水汽混合物從進(jìn)氣管出口直接沖刷汽包封頭(即減薄區(qū)域)，當(dāng)高溫水汽混合物接觸溫度較低的封頭內(nèi)壁時(shí)便凝結(jié)成水滴，溫度的降低導(dǎo)致水中的硫酸鹽類物質(zhì)溶解度下降，不斷析出并附著于內(nèi)壁表面。由于硫酸鹽與鐵基體電位不同，它們?cè)诔睗竦沫h(huán)境中形成大量的局部原電池，金屬基體為陽(yáng)極，不斷發(fā)生腐蝕溶解，當(dāng)水中存在溶解氧時(shí)腐蝕會(huì)加快，這也正是2#區(qū)域CaSO4覆蓋物中間出現(xiàn)不規(guī)則腐蝕凹坑的原因。長(zhǎng)時(shí)間的局部點(diǎn)腐蝕導(dǎo)致表層基體金屬變得多孔、疏松，在水蒸氣及冷凝水的沖刷作用下容易發(fā)生脫落，此類情況正是引起1#區(qū)域壁厚明顯小于2#區(qū)域的原因。1#區(qū)域是承受水蒸氣沖擊最嚴(yán)重的部位,優(yōu)先發(fā)生腐蝕脫落，腐蝕區(qū)域不斷向周圍擴(kuò)展。

鍋爐運(yùn)行信息顯示，企業(yè)直接抽取地下水作為汽包的工作介質(zhì)，且沒(méi)有對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，也無(wú)水處理設(shè)施。未作處理的地下水中氧含量及鈣、鎂、氯離子含量均較高,且含有大量的硫酸鹽類物質(zhì)[5]，這是導(dǎo)致汽包封頭腐蝕的主要原因之一。

3 結(jié)論與建議

腐蝕汽包封頭基體材料的各項(xiàng)性能均合格，汽包封頭腐蝕減薄不是材料原因所致。減薄區(qū)域表面存在大量沿一定方向的腐蝕溝槽，中間存在大量不規(guī)則的腐蝕凹坑，呈典型沖刷腐蝕磨損特征。介質(zhì)水中含有溶解氧和弱酸性物質(zhì)硫酸鹽是鍋爐高溫汽包封頭內(nèi)壁腐蝕減薄的主要原因，高溫加速了腐蝕進(jìn)程。另外，汽包的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致高溫水汽混合物從進(jìn)氣管出口直接沖刷汽包左封頭(即減薄區(qū)域)，沖刷作用不斷剝離腐蝕層金屬，導(dǎo)致封頭區(qū)域減薄速度大于其他區(qū)域。

根據(jù)汽包封頭的腐蝕原因，提出以下建議：

(1) 增加水處理設(shè)施，去除介質(zhì)水中的鈣、鎂、硫、氯等離子及氧，并加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

(2) 改進(jìn)汽包封頭進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)，降低高溫水汽混合物沖刷封頭力度或避免高溫水汽混合物直接沖刷封頭。