火力發(fā)電廠過熱器管晶間腐蝕原因分析及對策

羅海森

（國能江西電力有限公司，江西 南昌 330001）

晶間腐蝕是金屬局部腐蝕的一種，它沿著金屬晶粒間的分界面向內(nèi)部擴(kuò)展，大大降低金屬的機(jī)械強(qiáng)度，而且腐蝕發(fā)生后金屬和合金的表面仍會保持一定的金屬光澤，通常看不出被破壞的跡象，但晶粒間結(jié)合力顯著減弱，力學(xué)性能惡化，是一種危險極大的腐蝕，通常出現(xiàn)于黃銅、硬鋁合金和一些不銹鋼、鎳基合金中。在火電廠，晶間腐蝕是奧氏體不銹鋼焊縫的一個重大問題，嚴(yán)重威脅鍋爐過熱器的安全運(yùn)行。

1 火電廠過熱器管晶間腐蝕的危害和分析

1.1 晶間腐蝕的產(chǎn)生原理

不銹鋼在腐蝕介質(zhì)作用下，在晶粒之間產(chǎn)生的一種腐蝕現(xiàn)象稱為晶間腐蝕。晶間腐蝕可以分別產(chǎn)生在焊接接頭的熱影響區(qū)（HAZ）、焊縫或熔合線上，當(dāng)溫度升高時，碳在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度大于鉻的擴(kuò)散速度。室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%，而一般奧氏體不銹鋼中的含碳量均超過此值，多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如（Cr，F(xiàn)e）23C6等。當(dāng)晶界中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低到小于12%時，就會形成所謂的“貧鉻區(qū)”[1]，在腐蝕介質(zhì)作用下，貧鉻區(qū)就會失去耐腐蝕能力，從而產(chǎn)生晶間腐蝕。火電廠過熱器管因晶間腐蝕管材發(fā)生爆裂如圖1、圖2 所示。

圖1 過熱器晶間腐蝕管材和現(xiàn)場爆口

圖2 斷面內(nèi)壁附近多條沿晶裂紋

1.2 火電廠過熱器管材質(zhì)選擇和檢修安裝不當(dāng)

近年來，我國電力工業(yè)快速發(fā)展，大容量、高參數(shù)的火電機(jī)組占比不斷提升，金屬材料也更加復(fù)雜，其中600MW~1000MW 超超臨界機(jī)組過熱器大量使用T92/P92 等鐵素體耐熱鋼和TP347H 和Super304T 等奧氏體耐熱不銹鋼[2]，部分高規(guī)格鋼材在我國火電機(jī)組應(yīng)用運(yùn)行時間較短，高溫金屬運(yùn)行后材質(zhì)劣化機(jī)理還在逐步完善和積累中。同時，部分火電機(jī)組在安裝過程中，檢修安裝工藝未按規(guī)范嚴(yán)格落實，焊前預(yù)熱和焊后熱處理控制不佳，試板表面清潔不夠引起過熱器管發(fā)生滲碳，焊接操作不當(dāng)形成嚴(yán)重偏析，造成晶間腐蝕試驗、檢測不合格。導(dǎo)致晶間腐蝕的另一個重要原因是，熱處理的溫度和保溫時間控制不當(dāng)[3]，也會產(chǎn)生晶間腐蝕。部分火電機(jī)組“四管”尤其是過熱器管頻繁爆破，引起機(jī)組發(fā)生非計劃停運(yùn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，2020 年全國火電廠發(fā)生非停中“四管”泄漏占比高達(dá)近六成，其中尤以過熱器管損傷較大，是火電機(jī)組中導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生非停的主要原因。做好鍋爐過熱器管治理是防止機(jī)組非計劃停運(yùn)的重要手段，也是提升機(jī)組可靠性的有效途徑。

1.3 運(yùn)行控制調(diào)整不當(dāng)

隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，已處于從自動化、數(shù)字化控制快速轉(zhuǎn)型升級到智能化的過程中，智能運(yùn)行、智能監(jiān)控、智能分析等系統(tǒng)應(yīng)用越來越多，需要運(yùn)行人員實際動手操作的環(huán)節(jié)越來越少，運(yùn)行人員操作經(jīng)驗積累缺少必要實踐，仍需不斷提升。同時，部分發(fā)電企業(yè)未建設(shè)適合于本企業(yè)和本機(jī)組的仿真系統(tǒng)，運(yùn)行人員仿真培訓(xùn)提升的機(jī)會相對較少，實際處理各類異常的能力偏弱，特別是在機(jī)組啟動和停止的過程中，鍋爐燃燒強(qiáng)度與負(fù)荷配比較正常工況復(fù)雜多變，過量、過早使用減溫水的情況仍然存在，容易導(dǎo)致火電機(jī)組過熱器金屬發(fā)生超溫。當(dāng)機(jī)組過熱器管溫度測點未在每片屏上實現(xiàn)全覆蓋時，運(yùn)行人員在缺少監(jiān)視條件的情況下，容易在非正常工況下產(chǎn)生較多過熱器金屬壁溫超溫現(xiàn)象，嚴(yán)重影響過熱器金屬管材壽命。運(yùn)行調(diào)整過程中，除鹽水的氯離子控制不當(dāng)也是產(chǎn)生晶間腐蝕的一個重要因素，當(dāng)除鹽水中含有氯離子，氯離子含量只有在小于25ppm 環(huán)境下，不銹鋼才不易發(fā)生腐蝕，但當(dāng)氯離子含量大于25ppm 時，不銹鋼就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕。

1.4 深度高峰和頻繁啟停次數(shù)明顯偏多

近年來，光伏和風(fēng)電等新能源發(fā)電機(jī)組比重將快速增加，同步儲能電站和抽水蓄能等配套項目建設(shè)相對滯后，火電機(jī)組頂峰、深度調(diào)峰已成為今后的常態(tài)，這對火電機(jī)組安全性、可靠性、靈活性都提出了更高的要求，各類金屬疲勞和蠕變速度明顯加快，導(dǎo)致部分火電機(jī)組承壓金屬材質(zhì)壽命降低，管材更換周期縮短。受制于當(dāng)前較高的煤炭燃料成本，火電企業(yè)經(jīng)營狀況不佳，虧損面在個別時段達(dá)到30%~50%較高比例，企業(yè)每年生產(chǎn)技改和修理費用等生產(chǎn)性投入不足，特別是對于晶間腐蝕等類似隱性缺陷更是難于發(fā)現(xiàn)并處理，導(dǎo)致此類缺陷和事故呈多發(fā)和上漲態(tài)勢。

1.5 晶間腐蝕隱患排查深度不夠，難度較大

火電廠的常規(guī)金屬缺陷和壁厚測量等檢查、檢測工作，可以在計劃性檢修和停機(jī)中進(jìn)行，并對發(fā)現(xiàn)的缺陷和問題及時進(jìn)行治理。當(dāng)過熱器管發(fā)生晶間腐蝕時，其金屬表面盡管只有輕微腐蝕，但內(nèi)部已發(fā)展成網(wǎng)絡(luò)狀裂紋，金屬強(qiáng)度大大降低，因其缺陷的隱蔽性，同時受限于檢測人員的技術(shù)水平和檢測裝備配置等原因，常規(guī)檢查時難以發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕，其造成過熱器管泄漏的概率較其他原因明顯偏高，需要根據(jù)過熱器的全壽命管理要求，進(jìn)行專項檢測、化驗，開展定期合金元素分析、力學(xué)和金相試驗，及時排查晶間腐蝕隱患，并予以消除，確保火電機(jī)組安全。

2 過熱器管晶間腐蝕應(yīng)對措施

2.1 合理選擇過熱器材質(zhì)，規(guī)范焊接處理工藝

新建和改擴(kuò)建機(jī)組，要根據(jù)設(shè)計和制造廠有關(guān)要求，匹配過熱器的設(shè)計溫度和壓力選擇合適的材質(zhì)，特別是要降低鋼材中的含碳量，以減少或避免晶界上析出碳化物，在滿足設(shè)計要求的前提下優(yōu)先選擇奧氏體-鐵素體耐熱鋼，提高材質(zhì)的抗晶間腐蝕能力，保證機(jī)組安全。要強(qiáng)化檢修工藝管理，嚴(yán)格執(zhí)行焊接作業(yè)指導(dǎo)書，保證焊接件表面熱處理前的清潔度，新材質(zhì)必須按焊接工藝規(guī)程要求，進(jìn)行同等條件試焊，提高焊接工藝和焊接水平，質(zhì)量和工藝合格后方可列入正常使用。采取合適的熱處理工藝，保持合理的熱處理溫度和時間，避免和減少晶界沉淀相析出或改變晶界沉淀相類型，防止運(yùn)行中突發(fā)晶間腐蝕。加強(qiáng)日常金屬管材的質(zhì)量監(jiān)督，定期進(jìn)行抽樣金相、力學(xué)試驗，做好備品保管，避免材質(zhì)混堆混放，備用材料按100%進(jìn)行光譜、硬度檢驗，確保正常。

2.2 優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整、控制

運(yùn)行人員要做好操作風(fēng)險辨識，開展日常事故預(yù)想，把仿真機(jī)使用作為運(yùn)行人員的日常工作，利用學(xué)習(xí)班等方式經(jīng)常、輪流開展仿真機(jī)培訓(xùn)，不斷提升運(yùn)行人員操作水平和應(yīng)急處置能力。重點做好兩個階段操作調(diào)整，一是啟動和停機(jī)階段，在啟動過程中，鍋爐點火后初期嚴(yán)格控制燃燒和送風(fēng)量，避免過量、過早使用減溫水，防止熱負(fù)荷過高，導(dǎo)致金屬壁溫短時超限，根據(jù)鍋爐啟動曲線，嚴(yán)格控制風(fēng)煤數(shù)量和配比，保持穩(wěn)定的燃燒速率，合理使用減溫水，避免對金屬管材造成局部溫度突變；二是機(jī)組正常運(yùn)行階段，要加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視，控制好爐膛出口煙溫，保持適量減溫水量，確保過熱器金屬壁溫不超限。根據(jù)爐膛清潔程度，進(jìn)行定期和臨時吹灰，清除過熱器金屬上的各類積灰積焦，進(jìn)行正常換熱效果，保持過熱器金屬壁溫正常。同時，在運(yùn)行調(diào)整過程中，要嚴(yán)格控制除鹽水的氯離子含量，保持氯離子含量小于25ppm，加強(qiáng)定期化驗測量，加裝在線監(jiān)測裝置，當(dāng)氯離子含量異常時及時進(jìn)行分析處理，確保氯離子含量不超標(biāo)，避免發(fā)生晶間腐蝕。

2.3 加強(qiáng)定期檢查、檢測

火電機(jī)組在正常運(yùn)行中，要定期查看鍋爐過熱器管泄漏報警裝置，查看鍋爐爐內(nèi)檢測系統(tǒng)是否正常，現(xiàn)場監(jiān)聽過熱器管聲音，特別是吹灰器附近過熱器管要重點關(guān)注，加密巡查次數(shù)，避免蒸汽吹灰器故障導(dǎo)致吹損過熱器管。要利用好所有停機(jī)機(jī)會，做到逢停必檢、查必查清，采用分片檢查、交叉復(fù)查、聯(lián)合抽查等形式，全面細(xì)致開展“四管”檢查。同時，要積極采取先進(jìn)方法和措施，充分利用無人機(jī)、機(jī)器人和大數(shù)據(jù)做好“四管”檢查，過熱器管要做到100%外觀檢查，確認(rèn)管排平整，間距均勻無脫排、亂排，管子及下彎頭無磨損、腐蝕、氧化、脹粗和鼓包。定期對部分高溫過熱器管段、異種鋼接頭進(jìn)行抽樣分析檢測，及時發(fā)現(xiàn)并治理好過熱器管的晶間腐蝕。要積極采用組織交流會、培訓(xùn)班等方式加強(qiáng)交流學(xué)習(xí)，共享經(jīng)驗教訓(xùn)，開展過熱器間焊接培訓(xùn)和勞動競賽，不斷提升檢修、檢測人員技術(shù)水平。

2.4 合理安排檢修技改，規(guī)范全壽命管理

建立健全安全生產(chǎn)責(zé)任制，充分發(fā)揮專業(yè)人員積極性和主動性，制定管理考核辦法，做到責(zé)任到人、任務(wù)到人。對火電機(jī)組所有承壓部件都應(yīng)建立全壽命管理臺賬，結(jié)合本機(jī)組空氣動力場試驗和溫度空間的分布情況，加強(qiáng)高負(fù)荷、高溫度過熱器管等定期監(jiān)測，對所有過熱器管屏加裝金屬壁溫測點，建立“四管”壁溫預(yù)警系統(tǒng)，對過熱器、再熱器等金屬壁溫實行動態(tài)管理。合理安排機(jī)組計劃性檢修，嚴(yán)格執(zhí)行金屬技術(shù)監(jiān)督要求，利用大、小修機(jī)會，集中對部分管段進(jìn)行分析、檢測，對部分劣化管材進(jìn)行合理更換和補(bǔ)充，更換的合金鋼和不繡鋼管材必須進(jìn)行100%光譜復(fù)檢，所有高壓焊口必須經(jīng)100%無損探傷檢查合格。適時進(jìn)行管材升級，嚴(yán)格控制管材質(zhì)量，堅決避免不合格或存在缺陷的管材用于正常生產(chǎn)過程。

2.5 積極開發(fā)建設(shè)源網(wǎng)荷儲和綜合能源服務(wù)

要根據(jù)光伏和風(fēng)電等新能源建設(shè)進(jìn)度，研究推進(jìn)儲能、氫能、抽水蓄能、分布式能源等項目，大力開發(fā)拓展火電機(jī)組供熱市場，擴(kuò)大供熱能力，保持火電機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，減緩火電機(jī)組過熱金屬應(yīng)力和溫度變動，提升應(yīng)對過熱器晶間腐蝕的能力。針對電力市場“兩個細(xì)則”和輔助服務(wù)市場，開展火電機(jī)組性能優(yōu)化綜合試驗，積極推進(jìn)火電機(jī)組靈活性改造，提升智慧運(yùn)營能力，合理降低最低接帶負(fù)荷能力，適應(yīng)火電機(jī)組頂峰、深度調(diào)峰的變化，保持機(jī)組長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)束語

火電廠過熱器安全是電廠長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。本文詳細(xì)地介紹了火電廠過熱器管晶間腐蝕的原理、危害、應(yīng)對措施，希望能對火電廠的過熱器管晶間腐蝕分析、處理和預(yù)防有所助益，為更安全、更高效、更清潔的新型火電機(jī)組“四管”管理提供寶貴經(jīng)驗。