垃圾焚燒爐水冷壁集箱手孔端蓋泄漏原因分析

李憲爽, 高成龍, 程 義， 劉新星

(1. 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司, 哈爾濱 150046;2. 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室， 哈爾濱 150046)

在飛速發展的城市化進程中，生活垃圾的妥善處理成為經濟、社會及環境保護所面臨的突出問題。垃圾焚燒發電技術因其具有垃圾處理的合理利用化、減容減量化和無毒無害化的優勢，成為未來城市生活垃圾處置的優選技術[1-4]。生活垃圾的組分復雜多變、焚燒爐內工況復雜，燃燒產物在爐膛內部溫度和風速的影響下易在焚燒爐受熱面內形成堆積、黏連、腐蝕、沖刷等問題[5-7]。受熱面失效通常是多種因素共同作用的結果。

某電廠垃圾焚燒機組主蒸汽質量流量為850 t/d，主蒸汽壓力為6.5 MPa，主蒸汽溫度為450 ℃。該機組在運行13 000 h后水冷壁集箱手孔端蓋發生泄漏，端蓋材質為Q345R，公稱壁厚為13 mm。泄漏點在端蓋頂部，端蓋的迎風側減薄明顯，表面凹凸不平，手孔裝置下部鋼管未發現減薄，集箱附近厚度檢查未發現異常。為了進行全爐水壓查漏，現場對手孔端蓋進行泄漏點封焊。筆者對端蓋泄漏原因進行分析，以期為今后相關垃圾焚燒爐的安全運行和檢修提供參考。

1 試驗分析

1.1 宏觀檢查

集箱手孔端蓋宏觀形貌見圖1。由圖1可以看出：泄漏點位于手孔端蓋迎風側靠端部位置，該區域表面未發現明顯積灰，其余部位存在較厚的積灰情況。樣品泄漏點已進行現場補焊，泄漏點附近外表面存在腐蝕凹坑，凹坑表面較光滑，未發現覆蓋物；其余位置外表面存在腐蝕凹坑，凹坑表面有黃棕色覆蓋物，覆蓋物呈局部分層剝落形貌，由覆蓋物的顏色及所處環境分析，該覆蓋物應為鐵的氧化物。

圖1 集箱手孔端蓋宏觀形貌

1.2 幾何尺寸測量

將樣品沿圖1(b)中截面剖開進行端蓋厚度觀察發現，與樣品頂部及背風側相比，迎風側厚度明顯減薄，并且樣品存在向外膨脹、變形的情況。

在樣品截面上進行端蓋厚度尺寸測量，測量結果見圖2。由圖2可以看出：端蓋樣品各位置壁厚均存在減薄現象，減薄程度為迎風側(B點)大于背風側(D點)，頂部(C點)大于底部(A點、E點)。

圖2 集箱手孔端蓋截面形貌及尺寸測量結果

1.3 化學成分分析

在樣品上切取化學試樣(1號試樣，見圖1(b))，采用OBLF QSN750直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表1。由表1可以看出：樣品的化學成分符合標準GB/T 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》的規定。

表1 化學成分分析結果 %

1.4 力學性能檢測

在樣品上切取硬度試樣(2號試樣，見圖1(b))，采用THBC-3000DD型布氏硬度計(壓頭直徑為2.5 mm，試驗力為1.839 kN)，對試樣1/2壁厚處進行硬度檢測，測量結果分別132HBW、131HBW、132HBW。根據ASME SA-370—2021 《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法及定義》將測量布氏硬度平均值(132HBW)轉換成近似抗拉強度，結果為440 MPa。結果表明，樣品由布氏硬度轉化的抗拉強度低于GB/T 713—2014的要求(Q345R材料抗拉強度在510～640 MPa)。

1.5 金相組織分析

在樣品上切取金相試樣(3號試樣，見圖1(b))，對試樣進行粗磨、細磨和拋光后，使用4%(質量分數)硝酸酒精溶液進行腐蝕，采用AXIOVERT200MAT光學金相顯微鏡分別觀察腐蝕后試樣各位置的金相組織和晶粒度，檢測結果見表2，金相組織見圖3。

表2 金相組織檢測結果

圖3 端蓋金相組織形貌

由表2及圖3可以看出：樣品金相組織及晶粒度符合材質特征。端蓋近外壁處組織珠光體形態消失，珠光體球化嚴重，碳化物彌散分布在鐵素體基體上；端蓋1/2壁厚及近內壁處珠光體區域中的碳化物亦明顯分散，但區域形態尚保留。此外，樣品外表面凹凸不平，局部區域殘留灰色氧化物。

1.6 掃描電鏡及能譜分析

采用Apollo 300 型掃描電鏡及QUANTAX能譜儀對3號試樣外表面覆蓋物的內層和外層進行分析，結果分別見圖4和圖5。

圖5 試樣外表面覆蓋物外層能譜分析結果

由圖4和圖5可以看出：樣品外表面覆蓋物主要為鐵的氧化物，含有一定的硫元素(覆蓋物內層硫質量分數達1.85%)

2 綜合分析

(1) 樣品的化學成分符合GB/T 713—2014對Q345R材料的規定，排除材料錯用。由樣品布氏硬度轉化的近似抗拉強度低于GB/T 713—2014對Q345R材料的規定。

(2) 通過樣品整體宏觀形貌和現場照片可知，樣品發生輕微膨脹、變形，壁厚均發生減薄，壁厚減薄情況為：迎風側大于背風側，頂部大于下部。

樣品表面凹凸不平，大部分區域被黃棕色物質覆蓋，覆蓋物呈局部剝落狀態，由覆蓋物的顏色及所處環境分析，該覆蓋物應為鐵的氧化物。這說明樣品外表面受到腐蝕作用，產生了腐蝕凹坑并發生壁厚減薄。其中，迎風側外表面未發現明顯的覆蓋物，表面較光滑，根據樣品的實際安裝位置可知，安裝位置為焚燒爐后側，該區域位于180°的煙氣轉折區，會受到煙氣沖刷作用，煙氣沖刷會使材質表面的氧化膜和腐蝕產物持續破損、脫落，導致不斷露出新鮮的基體，從而加速腐蝕。因此，迎風側的腐蝕減薄程度會大于背風側的腐蝕減薄程度。

(3) 由金相組織分析可知，整個樣品組織球化較為嚴重，近外壁處組織中的珠光體形態已經消失，碳化物呈彌散轉態分布于鐵素體基體上，1/2壁厚及近內壁處珠光體區域形態尚保留。結合硬度檢測結果及膨脹變形情況，判斷該端蓋經受了超溫運行，高溫導致組織球化嚴重，力學性能下降，在內部壓力的作用下，發生膨脹變形，壁厚減薄。此外，端蓋超溫運行也會促進腐蝕的發生與加劇。

(4) 由掃描電鏡和能譜分析結果可知，樣品表面覆蓋物主要為鐵的氧化物和硫化物，判斷腐蝕介質主要為煙氣中的硫元素，樣品表面發生的腐蝕過程為高溫硫腐蝕。

綜上所述，端蓋在運行過程中發生沖刷腐蝕并伴有高溫硫腐蝕及過熱。煙氣沖刷使材質表面的氧化膜和腐蝕產物持續破損、脫落，導致不斷露出新鮮的基體，從而加速腐蝕。過熱運行導致材料強度下降，并促進腐蝕的產生與加劇，使得有效截面減小，進而導致截面所能承受的應力減小，在內部壓力的作用下發生膨脹變形，壁厚進一步減小。因此，端蓋迎風側在過熱和沖刷腐蝕的共同作用下，壁厚減薄嚴重，導致泄漏發生。

3 結語

Q345R手孔端蓋化學成分符合標準規定，在集箱運行過程中發生過熱，組織球化嚴重，力學性能低于GB/T713—2014對Q345R材料的規定。

分析Q345R手孔端蓋發生泄漏的原因為：設備存在過熱運行，并且端蓋外表面發生高溫硫腐蝕，迎風側發生沖刷腐蝕。在過熱運行與腐蝕共同作用下，端蓋壁厚減薄嚴重，不能承受其內部工質的壓力而發生開裂泄漏。