電廠再熱器管泄漏原因分析與防護

李修能 郭 洪 張春義 楊 朝

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2. 遼寧東科電力有限公司 沈陽 110006）

隨著工業化進程的深入發展，日用電量的逐漸增加，火力發電起著不可忽視的作用，其中電站鍋爐占比也越發增大。通過對遼寧省近10年的電站鍋爐壓力容器的檢修和失效分析案例的統計發現，腐蝕是造成電站鍋爐“非停”事故的一個主要因素，占比高達電站鍋爐事故的45%以上。常見的電站鍋爐腐蝕包含氧腐蝕、堿腐蝕和氫腐蝕等。本文將通過案例分析著重對電站鍋爐中發生的氧腐蝕進行探討。

氧腐蝕對鍋爐的損傷機理是金屬部件與介質中溶解氧接觸后發生的全面或局部腐蝕減薄，其本質是一種電化學腐蝕。鐵和氧形成腐蝕電池，鐵的電極電位總是比氧的電極電位低，所以在鐵氧腐蝕電池中，鐵是陽極，發生腐蝕，溶解氧為陰極起去極化作用[1-3]。氧腐蝕是典型潰瘍腐蝕[4，5]，在腐蝕區域直徑小至一毫米，大至幾十毫米。氧腐蝕對設備和管道的危害往往不是短期就能發現的。氧腐蝕發生后會使電廠鍋爐中鍋筒、對流管束、水冷壁等管壁減薄、穿孔[6]，致使壁厚減薄，影響安全運行。黃為福等人[7]通過宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、微觀分析、垢層分析、X射線衍射分析和水汽質量分析等分析手段對水冷蒸發屏爆管原因研究，結果顯示鍋爐水質中氧含量和氯離子等元素超標造成管內壁發生氧腐蝕，在正常運行壓力作用下引發爆管。李學林等人[8]通過金相檢驗和水質檢測等方法分析得出，造成鍋爐節能管穿孔的主要因素是水質中氧含量超標，管壁發生氧腐蝕，造成管壁減薄穿孔。值得注意的是，氧腐蝕和氧化腐蝕均是由運行介質內含氧量的異常引發的，但其腐蝕原理完全不同，且二者間的腐蝕產物存在明顯差異。翟德雙[9]通過對管壁和氧化物的宏觀分析、金相組織分析、硬度檢測、化學分析等手段對鍋爐末級過熱器爆管原因分析，發現由于氧化皮脫落，進而造成管壁堵塞，最終引發爆管。通過對比氧腐蝕和氧化腐蝕的產物可知，一方面，氧腐蝕的產物蓬松，而氧化腐蝕的產物相對堅硬，更易引發堵管；另一方面，氧腐蝕的腐蝕產物鐵氧化物粉末可以隨蒸汽進入汽輪機通汽部分，粘結在汽輪機的噴嘴、葉片上，使蒸汽不能按原設計工況做功，影響汽輪機效率，汽耗增大，不利于安全運行。

某熱電公司檢修時發現，鍋爐多根墻式再熱器入口管內壁存在不同程度的腐蝕現象，發生腐蝕的再熱器管材質為12Cr1MoVG，設計規格為φ50 mm×4 mm，再熱器入口工作溫度為325 ℃，工作壓力為3.8 MPa，累計運行時間6.6萬h。電站鍋爐運行中發生的氧腐蝕嚴重時很容易形成爆管，影響鍋爐平穩安全運行，應引起足夠的重視，通過對鍋爐再熱器管的失效機理進行分析，探查發生氧腐蝕的內在原因，給出相應防護建議，為同類型鍋爐運行提供參考，避免同類事故發生。

1 試驗

宏觀形貌檢查再熱器管失效特征，分辨失效類型。直讀光譜儀對其進行材質分析，確定材料成分。然后對失效樣管進行取樣、打磨、拋光、腐蝕，通過LSM700激光共聚焦顯微鏡和SEM電子顯微鏡觀察管內組織形貌，通過能譜儀（EDS）分析腐蝕產物的元素成分。

1.1 宏觀形貌分析

圖1是失效的再熱器管取樣后的宏觀形貌。圖1（a）是2根再熱器管外壁宏觀形貌圖，管壁均無明顯脹粗、變形及其他缺陷，外壁氧化皮正常，剖開觀察內壁均未見明顯氧化層或結垢現象，但在2管內壁均觀察到多個腐蝕凹坑，圖1（b）所示分別是2根再熱器管內壁腐蝕凹坑宏觀形貌。

圖1 再熱器管宏觀形貌

為便于觀察腐蝕凹坑內部形貌特征，用體式顯微鏡分別對2根再熱器管腐蝕坑進行觀察，形貌如圖2所示。從圖可看出，2根再熱器管內壁腐蝕凹坑均呈階梯式潰瘍狀，表面覆蓋紅褐色銹跡，底部有少量腐蝕產物，質地較為疏松；無腐蝕坑處內壁呈紅褐色，較為光滑。

圖2 再熱器管宏觀腐蝕形貌

1.2 合金成分分析

對再熱器管取樣，壓平打磨后進行化學成分分析。試驗儀器型號為DV-6型定量直讀光譜儀，執行標準為GB／T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》。合金成分分析結果見表1，其中表1中最后一行為GB／T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中12Cr1MoVG鋼的標準值，分析可知所檢元素含量符合標準要求。

表1 再熱器管合金成分表 Wt%

1.3 力學性能試驗

分別在2根取樣管上截取未發生腐蝕的區域制樣并進行常溫拉伸性能試驗。試驗設備型號為CMT5205型微機控制電子萬能試驗機，執行標準為GB／T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》。試驗結果見表2，其中最后一行為GB／T 5310—2017中12Cr1MoVG常溫拉伸性能標準值。對比標準參考值可見2根再熱器管常溫拉伸性能值均滿足標準要求。

表2 常溫拉伸性能試驗結果

1.4 金相組織分析

分別對1#樣管和2#樣管內壁腐蝕坑附近的橫截面進行金相組織檢驗，結果如圖3、圖4所示。通過金相組織對比發現，2根管的凹坑腐蝕形貌特征相似。圖3（a）和圖4（a）所示凹坑底部均存在一層可見腐蝕產物，未見沿晶或穿晶擴展微裂紋，未見明顯的脫碳層和老化。圖3（b）和圖4（b）顯示再熱器管腐蝕坑附近的金相組織與基體金相組織無明顯差別，均為鐵素體+珠光體，老化級別2.5級。

圖3 再熱器管1#樣管金相組織

圖4 再熱器管2#樣管金相組織

1.5 SEM和EDS分析

圖5（a）是1#樣管凹坑底部腐蝕產物的掃描電鏡(SEM)形貌，形貌圖顯示，氧化物組織稀松，有孔洞，表層呈細小粉末狀，未見其他異物。圖5（b）是1#試樣腐蝕產物元素能譜圖（EDS），根據峰值顯示，腐蝕產物中的主要元素是Fe和O，腐蝕產物宏觀顏色為紅色或深紅色。綜合SEM形貌和EDS結果分析，再熱器管腐蝕產物為Fe2O3。

圖5 再熱器管1#樣管的SEM和EDS分析圖

2 原因分析及建議

由宏觀形貌可知，再熱器管外壁較為光滑，并無氧化或其他損失痕跡，管內壁腐蝕明顯，存在多處潰瘍狀腐蝕凹坑。腐蝕坑表面覆蓋有紅褐色銹跡，腐蝕產物內部較為疏松，腐蝕是由管內壁向外壁擴展，并腐蝕逐漸貫穿管壁而成。2根再熱器管微觀形貌均相似，產生機理應屬一致。對樣管基體進行能譜分析，結果顯示材質為12Cr1MoVG，符合標準要求。對其組織形貌觀察發現，腐蝕坑前基體金相組織未見異常，但在腐蝕前沿有不連續凹坑，凹坑內部可見少量腐蝕產物。除此以外，底部組織未見脫碳層或微裂紋等其他缺陷。腐蝕物成分檢測結果以Fe和O為主，結合氧化產物以褐色為主，說明腐蝕產物為Fe2O3。綜合以上結果可知再熱器管失效符合氧腐蝕特征[4，6]。

另外，在對再熱器管現場環境觀察時發現，在水平段檢修時發現管內有積水。可能是停爐期間系統抽真空沒有達到預定目標，導致管內濕蒸汽存留，降溫后凝結成積水，同時空氣未抽盡造成管內含氧量遠高于工況要求，這為再熱器管氧腐蝕提供充分條件[10]。

氧腐蝕機理如下：

1）氧氣是強烈的陰極去極劑，能吸收陰極的電子，形成OH-離子，從而使腐蝕過程加劇，破壞掉部分氧化鐵保護膜，露出內壁金屬。當內部金屬露出后，于含氧水溶液中形成局部電池，造成鐵從陽極析出鐵離子Fe2+。溶解析出的鐵離子Fe2+與OH-離子形成Fe(OH)2，由于Fe(OH)2難溶于水，析出后附著在金屬表面。

2）腐蝕產物呈沉淀物狀堆積在陽極上，勢必會造成在沉淀物內的氧濃度和覆蓋在陰極表面上水中的氧濃度之間形成一個濃度差，產生氧濃差原電池。隨著Fe(OH)2的不斷析出，陽極處液層中的鐵離子Fe2+濃度顯著降低，促使陽極上的鐵離子Fe2+繼續轉入水溶液中，即作為陽極部位的鐵被快速溶解，從而引發再熱器管內壁加速腐蝕。

3）由于Fe(OH)2易氧化，會被水中O進一步氧化生成Fe(OH)3，Fe(OH)3不溶于水，發生沉淀。析出后的Fe(OH)2和Fe(OH)3不穩定，發生化學反應生成Fe3O4。由于運行溫度較高，且水中含氧量較高，生成的Fe3O4會進一步發生化學反應，生成穩定態的Fe2O3。

其電化學反應方程如下：

鍋爐中氧腐蝕的發生主要跟水中溶解氧的含量有直接關系，氧含量越高腐蝕速率越大，預防氧腐蝕發生需做好以下幾點防護措施：

1）停爐檢修期間做好防護措施，防止管道內濕蒸汽和氧氣存留。

2）鍋爐啟動期間給水時，確保除氧器工作正常，實時監測給水中含氧量，防止氧氣進入鍋爐內[11，12]。

3）加強對再熱器管檢測，定期進行壁厚檢測和脹粗檢測，設置腐蝕探針或腐蝕掛片，監控實時腐蝕速率。

3 結論

1）再熱器管化學成分、常溫力學性能符合標準要求，金相組織未見異常。

2）再熱器管發生腐蝕主要是由于鍋爐停機檢修期間，再熱器管內殘留蒸汽和空氣的進入，導致再熱器管內壁發生溶解氧腐蝕，造成管內壁減薄，最終形成泄漏。