某余熱鍋爐受熱面管腐蝕穿孔原因

(國家特種金屬結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 杭州 310006)

2018年6月，某焦?fàn)t配套的焦?fàn)t尾氣余熱鍋爐在安裝完成、整體水壓合格、酸洗正常、調(diào)試正常的情況下運(yùn)行2～3個(gè)月后發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器受熱面管發(fā)生泄漏。泄漏發(fā)生在高壓段I級蒸發(fā)器受熱面管直管位置，如圖1所示。該組蒸發(fā)器共有46根直管，對最初發(fā)生泄漏的2根直管做了堵管處理，在檢修過程中又發(fā)現(xiàn)有2根管泄漏。受熱面管材料為20G鋼，規(guī)格為φ39 mm×5.5 mm。正常運(yùn)行時(shí)，管外部介質(zhì)為焦?fàn)t余熱煙氣，煙氣溫度440～490 ℃，管內(nèi)部介質(zhì)為汽、水混合物，溫度約340 ℃，工作壓力為14.6 MPa，流速為0.3 m·s-1[1]。發(fā)生泄漏的位置位于管的向火面一側(cè)，為找到該直管泄漏失效的原因，筆者在泄漏點(diǎn)附近取一段管試樣，并對試樣進(jìn)行硬度測試、金相檢驗(yàn)，對內(nèi)壁附著物進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析、能譜(EDS)分析、X射線衍射(XRD)分析。

圖1 受熱面管泄漏位置示意圖Fig.1 Diagram of leakage location on heating surface tube

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

在受熱面管的泄漏位置截取一段圓管試樣進(jìn)行觀察，其宏觀形貌如圖2所示。可見管試樣外壁無明顯塑性變形、機(jī)械損傷、磨損等現(xiàn)象，外壁有少量氧化皮。將試樣沿軸向剖開并進(jìn)行觀察，取樣位置及宏觀形貌如圖3所示，可見內(nèi)壁有明顯腐蝕坑，腐蝕坑集中在兩條線上，形成了兩條腐蝕溝槽，溝槽最深處管壁壁厚為1.8 mm。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查信息，兩條溝槽之間附著有腐蝕產(chǎn)物的區(qū)域?yàn)橄蚧鹈妫幌蚧鹈鎯?nèi)壁的附著物表面粗糙，質(zhì)地較堅(jiān)硬，中間較厚，最厚處壁厚約為2.2 mm；附著物覆蓋處管壁未見明顯減薄。

圖2 泄漏受熱面管試樣外壁宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of tube sample on theouter wall of leakage heating surface

圖3 泄漏受熱面管試樣內(nèi)壁宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of tube sample on theinner wall of leakage heating surface

1.2 化學(xué)成分分析

對管試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。可見化學(xué)成分滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對20G鋼的要求。

1.3 硬度測試

對管試樣的向火面和背火面進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如表2所示。可見管試樣向火面的硬度部分測試結(jié)果超出GB/T 5310—2017的要求，且略高于背火面。背火面硬度略低是由于鋼管是水平放置的，管中溫度較低的水處于底部，即向火面，而溫度較高的蒸汽在鋼管上部， 即背火面，背火面長期處于溫度較高的環(huán)境，硬度下降較快。

表1 泄漏受熱面管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of leakage heating surfacetube (mass fraction) %

表2 泄漏受熱面管的硬度測試結(jié)果Tab.2 Hardness test results of leakage heating surface tube HV1

1.4 金相檢驗(yàn)

使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕管試樣，并對管試樣的向火面、背火面及腐蝕坑附近進(jìn)行觀察[2]。可見，管試樣向火面和背火面的顯微組織均為鐵素體+呈帶狀分布的珠光體，晶粒細(xì)小均勻，參照GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》的技術(shù)要對其晶粒度進(jìn)行評級，結(jié)果為7.5級，此外未見微裂紋和明顯的非金屬夾雜物聚集等其他組織缺陷；向火面內(nèi)、外壁均未見明顯脫碳層，內(nèi)壁可見腐蝕產(chǎn)物附著；背火面內(nèi)、外壁均未見明顯脫碳層，內(nèi)、外壁均可見明顯氧化物，如圖4和圖5所示。腐蝕坑底部覆蓋著一層氧化腐蝕產(chǎn)物，顯微組織未見珠光體球化，未見脫碳層、過熱或其他組織缺陷，如圖6所示。

圖4 管試樣向火面顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of fire facing surface of tube sample:a) inner wall; b) outer wall

圖5 管試樣背火面顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of back fire surface of tube sample:a) inner wall; b) outer wall

圖6 腐蝕坑顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of corrosion pit:a) at low magnification; b) at high magnification

根據(jù)管試樣的金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，鋼管的顯微組織滿足GB/T 5310—2017對20G鋼的要求；熱軋鋼管在制造過程中一般會(huì)在內(nèi)、外壁形成一定厚度的脫碳層，在正常運(yùn)行一段時(shí)間之后，鋼管的脫碳層厚度往往會(huì)增加[3]。管試樣內(nèi)、外壁均未觀察到明顯的脫碳層，說明管子的運(yùn)行環(huán)境中氧化氣氛較高或運(yùn)行溫度過高[4]；同時(shí)，管試樣的顯微組織未見珠光體球化、晶粒長大等其他過熱組織，故排除運(yùn)行溫度過高的情況[5-6]。綜合金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，鋼管的顯微組織滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，鋼管運(yùn)行環(huán)境中的氧化氣氛較高[7]。

1.5 掃描電鏡及能譜分析

對管試樣向火面內(nèi)壁附著產(chǎn)物進(jìn)行SEM及EDS分析。可見管試樣向火面內(nèi)壁附著物表面疏松，如圖7所示。

圖7 管試樣向火面內(nèi)壁附著物SEM形貌Fig.7 SEM morphology of inner wall attachment on firefacing surface of tube sample：a) position 1; b) position 2

對附著物表面和附著物底部與金屬基體的接觸面進(jìn)行能譜分析。圖8為內(nèi)壁附著的腐蝕產(chǎn)物能譜分析位置及結(jié)果，可見腐蝕產(chǎn)物主要由碳、氧、硅、鐵元素組成，推測可能為鐵的氧化物、硅酸鐵和碳酸鐵[8]。圖9為剝離腐蝕產(chǎn)物后鋼管內(nèi)壁能譜分析位置及結(jié)果，可見鋼管內(nèi)壁主要由碳、氧、鐵元素組成，推測可能為鐵的氧化物和碳酸鐵。

圖8 內(nèi)壁附著物EDS分析位置及結(jié)果Fig.8 EDS analysis a) position and b) results ofinner wall attachment

圖9 腐蝕產(chǎn)物下基體的EDS分析位置及結(jié)果Fig.9 EDS analysis a) position and b) results of matrixunder corrosion products

1.6 XRD分析

對向火面內(nèi)壁附著物進(jìn)行XRD分析，特征譜圖如圖10所示，結(jié)果表明附著物符合Fe3O4的X射線衍射特征。

圖10 向火面內(nèi)壁附著物XRD分析結(jié)果Fig.10 XRD analysis result of inner wall attachmenton fire facing surface

1.7 工況分析

通過查閱相關(guān)水處理記錄和了解現(xiàn)場情況，發(fā)現(xiàn)該余熱鍋爐水質(zhì)處理方面存在以下問題。

(1) 飽和蒸汽、過熱蒸汽、再熱蒸汽中氫電導(dǎo)率超標(biāo)。現(xiàn)場測得的氫電導(dǎo)率最小值為0.18 mS·cm-1，最大值為0.42 mS·cm-1，超過GB/T 12145—2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》中規(guī)定的蒸汽氫電導(dǎo)率不大于0.15 mS·cm-1的要求值，說明蒸汽受到一定污染[9]。

(2) 凝結(jié)水硬度超標(biāo)。凝結(jié)水硬度約為0.1 mol·L-1，依據(jù)GB/T 12145—2016的要求，凝結(jié)水的硬度應(yīng)約等于零。而該余熱鍋爐給水60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)以上是凝結(jié)水，且進(jìn)鍋爐前，凝結(jié)水未經(jīng)妥善處理。

2 分析與討論

管試樣化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求；試樣內(nèi)、外壁未見明顯脫碳層，未見過熱組織或其他明顯組織缺陷；硬度測試結(jié)果顯示該管試樣整體硬度與該設(shè)備的正常運(yùn)行狀況相符，未見異常；腐蝕溝槽底部覆蓋著一層氧化腐蝕產(chǎn)物。鍋爐用鋼管一般在管子表面會(huì)有脫碳層，脫碳層的存在可以對管子基體提供一定的保護(hù)作用，如果脫碳層完全剝離，在高溫氣氛下，暴露的金屬基體會(huì)快速氧化、腐蝕。根據(jù)金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，管試樣內(nèi)壁特別是腐蝕部位存在快速的腐蝕和剝離過程，在其作用下，管試樣的脫碳層在被腐蝕之后迅速脫落，暴露出金屬基體。

掃描電鏡分析結(jié)果表明內(nèi)壁覆蓋的腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松；能譜分析結(jié)果表明內(nèi)壁覆蓋的腐蝕產(chǎn)物中主要含有鐵、氧、硅、碳等元素； XRD分析結(jié)果顯示該腐蝕產(chǎn)物為Fe3O4。

通過分析現(xiàn)場水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，飽和蒸汽、過熱蒸汽、再熱蒸汽中氫電導(dǎo)率超標(biāo)，蒸汽中鹽類含量超標(biāo)，凝結(jié)水硬度超標(biāo)。由于該鍋爐運(yùn)行時(shí)間短，造成以上水質(zhì)異常的原因較為復(fù)雜。該余熱鍋爐給水60%組成以上是凝結(jié)水，且進(jìn)鍋爐前，凝結(jié)水未經(jīng)妥善處理，可能對爐管造成損傷。

綜合鋼管運(yùn)行情況和理化檢驗(yàn)結(jié)果，判斷此次失效原因是鍋爐內(nèi)水質(zhì)不合格，導(dǎo)致受熱面管在高溫、高壓的運(yùn)行環(huán)境中發(fā)生了氣泡腐蝕。腐蝕反應(yīng)侵蝕了脫碳層，在鋼管內(nèi)壁形成腐蝕產(chǎn)物附著層；由于管子內(nèi)下半部分的循環(huán)水兩側(cè)是熱交換效率最高的位置，管子在水、汽兩相界面處為沸騰最激烈的位置[10]，沸騰產(chǎn)生的氣泡沖擊導(dǎo)致附著的腐蝕產(chǎn)物不斷脫落，露出金屬基體，加速了腐蝕向管子厚度方向的擴(kuò)展[11]；由于腐蝕集中在水面兩側(cè)，故在管子內(nèi)壁形成兩條腐蝕溝槽。

3 結(jié)論及建議

該余熱鍋爐泄漏的原因是鍋爐內(nèi)水質(zhì)不合格，導(dǎo)致受熱面管在高溫、高壓的運(yùn)行環(huán)境中發(fā)生了沸騰氣泡腐蝕。腐蝕反應(yīng)侵蝕了管子內(nèi)壁的鈍化層，管子在水、汽兩相區(qū)腐蝕反應(yīng)進(jìn)行的最劇烈，腐蝕深度最深，形成了不斷加深的腐蝕溝槽，最終導(dǎo)致泄漏。

建議運(yùn)行過程中，對循環(huán)水水質(zhì)，尤其是氧含量進(jìn)行嚴(yán)格控制，應(yīng)特別關(guān)注凝結(jié)水等環(huán)節(jié)的處理；注意調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，控制內(nèi)部介質(zhì)流速，防止類似事故發(fā)生。