立式余熱鍋爐低壓蒸發器流動加速腐蝕失效分析及處理

陳金國

摘 要：對低壓蒸發器流動加速腐蝕后泄漏的原因進行詳細分析，并提出流動加速腐蝕后泄漏的處理對策。結果表明，4臺余熱鍋爐低壓蒸發器換管后，未再發生低壓蒸發器出口集箱處彎頭異常泄漏的事件;同時，對更換后的低壓蒸發器管子進行壁厚測量檢查，也未再發現管子壁厚減薄的現象，說明處理措施取得了較好的效果。

關鍵詞：立式余熱鍋爐;低壓蒸發器;流動加速腐蝕

中圖分類號：TQ54 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）29-0039-03

Analysis and Treatment of Flow Accelerated Corrosion Failure of

Low Pressure Evaporator of Vertical Waste Heat Boiler

CHEN Jinguo

（China Shipping Fujian Gas Power Generation Co.， Ltd.， Putian Fujian 351100）

Abstract： The causes of leakage after flow accelerated corrosion of low-pressure evaporator are analyzed in detail， and the treatment countermeasures of leakage after flow accelerated corrosion are put forward. The results show that after the tubes of the low-pressure evaporators of the four waste heat boilers were changed， the abnormal leakage of the elbow at the outlet header of the low-pressure evaporator never occurred again; At the same time， the wall thickness of the replaced low-pressure evaporator pipe was measured and checked， and the phenomenon of pipe wall thickness thinning was not found again， and good results were achieved.

Keywords： vertical waste heat boiler;low pressure evaporator;flow accelerated corrosion

1 工程概況

某電廠一期建設4×350 MW的M701F燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，采用單軸一拖一布置，余熱鍋爐選用無錫華光鍋爐股份有限公司引進比利時CMI公司技術生產的立式余熱鍋爐，為三壓再熱、無補燃的立式自然循環鍋爐，余熱鍋爐主要技術參數見表1。

4臺余熱鍋爐分別于2008年和2010年陸續投運。從2014年開始，幾臺余熱鍋爐在機組運行過程中出現煙囪頂部排放口有白色水汽冒出的現象，且余熱鍋爐24 m層爐膛前部內有泄漏聲，同時低壓汽包水位下降異常。經停機后檢查，發現低壓蒸發器模塊出口聯箱靠近左右爐墻兩側非鰭片管的彎頭陸續出現沖刷減薄破裂現象，造成機組停爐檢修。為防止機組非計劃停運，從受熱面煙氣流道、水循環、管材、運行工況等方面排查原因，并采取相應措施處理，避免了低壓蒸發器模塊泄漏問題。

2 低壓蒸發器模塊簡述

低壓蒸發器模塊布置如圖1所示。蒸發器進口、出口集箱均布置于爐前側，在爐后側集箱區鰭片管用U形非鰭片管的彎管連接;在煙氣流動的受熱面部位采用螺旋鰭片管，集箱區的受熱面部位采用非鰭片管的光管設計;低壓汽包的下降管直接引入低壓蒸發器入口集箱上，爐水經低壓蒸發器蒸發吸熱后通過出口集箱和上升管進入低壓汽包。在煙氣側，煙氣流經低壓蒸發器后再經過低壓省煤器（預熱器）排向煙囪。

在爐左右方向上，低壓蒸發器受熱面又分為左、中、右3個區，每個區上下共5排管，每排管33根，每個區共165根管，3個區共495根管。

3 低壓蒸發器受熱面管減薄失效情況

2014年7月，#3余熱鍋爐停爐后發現低壓汽包水位下降較快，下降速度為150 mm/h，超出正常速度。經冷卻后，進入余熱鍋爐受熱面內進行檢查，發現接入低壓蒸發器出口聯箱第5排爐右側第一根管的彎頭穿孔，穿孔尺寸長15 mm、寬4 mm，彎頭穿孔減薄從內向外，外壁無磨損腐蝕現象，見圖2。

對低壓蒸發器入口集箱和出口集箱的水平非鰭片管段、90°彎頭部位進行測厚，水平非鰭片管段、入口集箱90°彎頭及爐后U形彎管的壁厚均未發生減薄，而出口集箱90°彎頭的壁厚存在不同程度的減薄，管子的壁厚由4 mm減薄到2.5 mm以下，最薄處僅為1.4 mm。之后，利用停機時間對其他3臺余熱鍋爐的相同部位進行測厚檢查，均發現存在不同程度的減薄現象。

4 減薄失效原因分析

流動加速腐蝕（Flow Accelerated Corrosion，FAC）是一種化學溶解質量傳遞控制的電化學腐蝕過程。聯合循環余熱鍋爐受熱面減薄失效的主要原因為流動加速腐蝕，而影響流動加速腐蝕的主要因素有金屬材料、介質環境和爐水參數。流動加速腐蝕容易發生的部位主要是強還原環境下紊流區的管道三通、彎頭、變徑管連接處，由于受熱面內的流通介質為單相或氣液兩相。低壓蒸發器彎管減薄由內壁沖刷引起，出口彎管管內處于汽水混合的紊流區。結合運行工況特點，判斷低壓蒸發器減薄是由流動加速腐蝕（FAC）引起的[1]。

4.1 低壓蒸發器運行工況

第一，設計額定負荷下，低壓蒸發器煙氣側入口煙氣溫度約為193 ℃，汽水側蒸發器出口聯箱內水溫約為154.7 ℃。機組正常運行時，低壓蒸發器內實際運行溫度約為160 ℃，管子材質為SA210-A1碳鋼，碳鋼內表面的保護性氧化膜FeO正處于水中溶解度最大的溫度區，FeO會溶解于液相或汽液兩相的介質中;同時，低壓蒸發器泄漏點正好處于汽液兩相混流區，容易形成流動加速腐蝕易發區，加快FeO的電化學腐蝕，從而促進低壓蒸發器管子彎頭處局部腐蝕的發展[1]。

第二，低壓蒸發器出口管內介質為汽水混合物，設計工況下汽水混合物流速為11.5 m/s，屬于紊流區。由于低壓蒸發器汽水混合物平均流速為11.5 m/s，所以其出口的流速比設計工況下汽水混合物平均流速更高，管內的流速高，汽液兩相變化的過程會更劇烈，湍流程度高，加快了流動加速腐蝕的速度，從而使低壓蒸發器出口集箱彎頭處部位的壁厚減薄[2]。

第三，低壓汽包內的水處理屬于全揮發性處理，通過加聯氨除氧、加氨調節pH，導致低壓蒸發器內水的含氧量較低，小于1 μg/L。由于低壓蒸發器進口集箱入口直接連接到低壓汽包的下降管上，低壓蒸發器的實際進水為低壓爐水，低壓爐水的溶解氧常年低于1 μg/L，低壓蒸發器內的水汽基本不含溶解氧，這為低壓蒸發器管內的流動加速腐蝕提供了氧化-還原電位小于0的環境，加劇了流動加速腐蝕。經對比可知，余熱鍋爐低壓蒸發器模塊煙氣側和汽水側的運行參數和設計相符，未見異常，爐水pH、含氧量在正常范圍內，可以排除運行參數異常引起的受熱面管損傷[3]。

第四，因機組為調峰機組，采用兩班制運行方式，余熱鍋爐經常啟停，低壓汽包內壓力在啟停階段波動劇烈，蒸發器會經歷較多從啟動到停爐的各種過渡工況，形成汽液兩相混合流，為低壓蒸發器流動加快腐蝕提供必要條件。

4.2 低壓蒸發器彎管規格材質及減薄特點

低壓蒸發器出口聯箱前彎頭設計材質和規格與低壓蒸發器管子一致，規格為Φ38 mm×4 mm的SA210-A1碳鋼。SA210-A1碳鋼相當于目前國內的#20鍋爐鋼，是鐵素體+珠光體的復合金屬材料，也是一種非合金材料，不具有耐腐蝕性。在火力發電廠中，金屬材料發生流動加速腐蝕由許多因素引起，其中金屬材料本身的選型是決定流動加速腐蝕快慢的主要因素之一。由于碳鋼內表面的保護性氧化膜為FeO，受管內液相或汽液兩相介質環境因素影響，碳鋼材料管子內壁的Fe元素和O元素更容易發生流失。在這個過程中，逐漸減少或消除保護性氧化層FeO，引起管子金屬壁厚局部流動腐蝕，從而導致壁厚減薄[4]。

低壓蒸發器管子泄漏點和管子減薄區域分布在低壓蒸發器與出口集箱相連接的90°彎頭處，壁厚減薄最大處均靠近余熱鍋爐左右兩側墻的區域。蒸發器與入口集箱的管子無壁厚減薄現象，檢查蒸發器與出口集箱連接管子的彎頭外壁，發現無明顯磨損減薄。對泄漏點的金屬材質進行取樣分析，發現金相組織無變化。低壓蒸發器出口鰭片管和出口集箱之間的非鰭片管與低壓蒸發器出口集箱區煙氣重新再次換熱，汽液兩相混合紊流區加劇，且該處的實際運行流速大于設計平均流速11.5 m/s，湍流程度高，特別是在90°彎頭區域，汽液兩相交集變化大，湍流程度更高，容易形成流動加速腐蝕[2]。

4.3 集箱區的密封板密封和間隙變化

機組運行過程中的振動和膨脹導致密封板固定點松動和密封板之間卡澀錯位，低壓蒸發器集箱區四周的密封板之間密封不嚴，引起下部高溫區的煙氣通過密封板間隙直接流入低壓蒸發器集箱區。在機組運行時，該區域的實際煙氣溫度大于設計工況的溫度，容易引起低壓蒸發器出口非鰭片管內介質的汽液兩相變化程度更劇烈、湍流程度增加、流動加速腐蝕加劇[2]。

低壓蒸發器集箱區兩側受熱面管與鍋爐側墻保溫內襯板的間隙過大，增加了附件管束的煙氣流速，導致低壓蒸發器集箱區兩側的非鰭片管蒸發量增加，管內湍流度增加、流動加速腐蝕加劇，兩側的管子內壁流動加速腐蝕更為嚴重，這與實際測量結果管子彎頭處的減薄量最大分布在爐墻兩側相吻合[5]。

5 處理對策及效果

5.1 處置對策

第一，根據測量的壁厚數據，爐后側的U形彎管部位未見明顯減薄，減薄點均位于爐前集箱區的彎管部位，且FAC對直管段影響較小。因此，利用各臺機組檢修間隙，將爐前出口集箱區的低壓蒸發器鰭片管至出口集箱的非鰭片管的495根管子全部割除更換。

第二，低壓蒸發器鰭片管和非鰭片管原設計材質為SA210-A1，屬于常規#20碳鋼，不耐沖刷腐蝕。由于Cr的溶解度比鐵的溶解度低，選擇Cr質量分數在1%以上的合金材料，Cr與Fe元素反應形成溶解度更低的保護層，可以降低Fe2+的向外擴散流失，并大大降低流動加速腐蝕的速率。所以，在整體割除低壓蒸發器出口集箱區鰭片管至出口集箱的非鰭片管后，更換新管材質選擇15CrMoG，管子規格保持Φ38 mm×4 mm不變。

第三，低壓蒸發器爐前集箱區上下部分密封板全部拆除，重新校正安裝;檢查受熱面鰭片管與鍋爐側墻保溫內襯板間的間隙，對間隙超過設計值的地方加焊煙氣密封板，防止形成煙氣走廊。

第四，機組運行中低壓汽包爐水加入聯氨，控制爐水中含氧量在標準要求值7 μg/L的上限，以便減輕FAC影響。

第五，更換低壓蒸發器與出口集箱5排共計495根管段，考慮對口和焊接時的操作便利和焊口的質量，在割除低壓蒸發器出口鰭片管與出口集箱連接的水平光管和90°彎頭時，每排切割位置從上到下相互錯開，出口集箱承插接管離集箱50 mm處切除。依次從下排到上排更換管段，每焊接完一排就安排射線探傷，以便探傷后不合格焊口的返工。

5.2 效果

通過以上對策的實施，4臺余熱鍋爐低壓蒸發器換管后，未再發生低壓蒸發器出口集箱處彎頭異常泄漏的事件;同時，結合每次余熱鍋爐內部檢驗，對更換后的低壓蒸發器管子進行壁厚測量檢查，也未再發現管子壁厚減薄的現象，取得了較好的效果。

6 結語

①在余熱鍋爐設計中，除了考慮受熱面管子的材料強度外，還應考慮實際運行中管子內介質對流動加速腐蝕的影響，盡可能將存在流動加速腐蝕現象的區域的管子材料設計為低壓合金材料，延緩流動加速腐蝕對管子的影響。

②利用機組檢修窗口期，加強對易發生流動加速腐蝕的管段壁厚的測量和比對。

③在進行低壓汽包補水時，應維持低壓汽包壓力穩定，避免低壓系統壓力波動劇烈，減緩低壓蒸發器系統的流動加速腐蝕;同時要維持低壓汽包爐水pH在9.5左右。

參考文獻：

[1]楊海珍.余熱鍋爐的腐蝕與預防措施[J].電力設備，2018（23）：56.

[2]羊濤，毛本春.余熱鍋爐中流動加速腐蝕的分析[J].江蘇鍋爐，2016（3）：13-15.

[3]王利宏，單建明，李偉，等.聯合循環余熱鍋爐中的流動加速腐蝕[J].發電設備，2010（6）：409-413.

[4]陸誠，范玲萍，史躍崗.燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐中FAC的危害及防止[J].余熱鍋爐，2012（4）：1-5.

[5]陸定康，潘浩.余熱鍋爐流動加速腐蝕的原因和預防措施[J].華電技術，2017（8）：72-73.