摘 要:某化工廠自備電站鍋爐內(nèi)水冷蒸發(fā)屏鋼管多次發(fā)生爆管,采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、 金相檢驗、微觀分析、垢層分析、X射線衍射分析和水氣質(zhì)量分析等方法分析了其爆管原因.結(jié)果表 明:水氣指標(biāo)超標(biāo)造成水冷蒸發(fā)屏鋼管內(nèi)壁結(jié)垢,而鍋爐給水中氧元素濃度長期嚴(yán)重超標(biāo)引起垢下氧 腐蝕、氯離子及氧腐蝕,在周期性應(yīng)力的作用下,鋼管內(nèi)壁形成裂紋且裂紋不斷加深,最終導(dǎo)致爆管.
關(guān)鍵詞:鍋爐;水冷蒸發(fā)屏;爆管;氧腐蝕
中圖分類號:TK２２３．３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０１Ｇ００６１Ｇ０５
某化工廠自備２號電站鍋爐為采用單汽包、自 然循環(huán)和循環(huán)流化床燃燒方式的鍋爐.該鍋爐由膜 式水冷壁爐膛、汽冷式旋風(fēng)分離器和由汽冷包墻包 覆的尾部豎井組成,其中,膜式水冷壁爐膛內(nèi)配有屏 式過熱器和水冷蒸發(fā)屏.鍋爐投產(chǎn)運行 １１８００h 后,在半個月內(nèi)發(fā)生３次水冷蒸發(fā)屏爆管事故.其 中,水冷 蒸 發(fā) 屏 規(guī) 格 為 ?６０ mm×６ mm,材 料 為 ２０G 鋼.鍋爐額定蒸發(fā)量為１３０t??h－１,高溫過熱蒸 汽出口壓力為９．８１ MPa,出口蒸汽溫度為５４０ ℃, 給水溫度為２１５ ℃,鍋筒飽和水溫度為３１８ ℃.為 了查明水冷蒸發(fā)屏爆管發(fā)生的原因,保障鍋爐安全、 穩(wěn)定地運行,筆者對該鍋爐爆管原因進(jìn)行了分析.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀觀察
對３次爆管的水冷蒸發(fā)屏鋼管爆口進(jìn)行宏觀觀 察,３次爆管的鋼管分別編號為１,２,３號.１號鋼管 的爆口位于右水冷蒸發(fā)屏下穿墻橫管下數(shù)第４根(澆 注料內(nèi)),爆口直徑為１０mm,鋼管未出現(xiàn)脹粗現(xiàn)象. 由于操作人員對爆口處進(jìn)行堆焊搶修后鍋爐重啟運 行,無法查看１號鋼管內(nèi)壁的情況.２號鋼管的爆口 位于右水冷蒸發(fā)屏下部前數(shù)第６根澆注料上方５mm 處,其宏觀形貌如圖１所示.可見該爆口呈核桃狀, 長度為４０mm,寬度為２５mm,鋼管未出現(xiàn)脹粗現(xiàn)象, 爆口呈現(xiàn)出脆性爆破的特征.沿縱向剖開管段后,可 見其內(nèi)壁有潰瘍狀腐蝕坑,腐蝕坑區(qū)域有較厚的黑色沉積物,該沉積物質(zhì)地較硬且不易剝落.敲除部分沉 積物后,管壁表面呈磚紅色.２號鋼管管壁其他部位 被紅銹覆蓋.３號鋼管的爆口位于左水冷蒸發(fā)屏前 數(shù)第２根和第２０根澆注料上方５mm 處,該鋼管的 內(nèi)壁腐蝕坑形貌和２號鋼管的類似.
對２,３號鋼管爆口同高度的左、右水冷蒸發(fā)屏 全部鋼管的管壁厚度進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)左水冷蒸發(fā)屏 前數(shù)第１,７,１２,１９,２１根鋼管管壁減薄較嚴(yán)重,剖開 第１根鋼管,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)壁結(jié)垢較多,管壁減薄處有腐 蝕坑,如圖２所示.現(xiàn)場檢查運行記錄后發(fā)現(xiàn),該鍋 爐為配合生產(chǎn)線需要存在超負(fù)荷運行情況,運行蒸 發(fā)量在９０~１６１t??h－１波動.此外,該鍋爐還發(fā)生過 多起爐床超溫結(jié)焦事故.
１．２ 化學(xué)成分分析
在 ２,３ 號 鋼 管 的 爆 口 附 近 取 樣,使 用 FOUNDRＧMASTERPRO 型全譜火花直讀光譜儀 進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表１.由表１可知,２,３ 號鋼管的化學(xué)成分符合GB/T５３１０－２０１７«高壓鍋爐用無縫鋼管»對２０G 鋼的技術(shù)要求.
１．３ 金相檢驗
在２號鋼管內(nèi)壁的腐蝕坑部位和其他未腐蝕部 位分別取樣,將試樣打磨、拋光后,采用體積分?jǐn)?shù)為 ４％的硝酸酒精溶液浸蝕,使用 AxioObserver．A１m 型研究級倒置萬能顯微鏡對浸蝕前的腐蝕坑部位試 樣、浸蝕后的腐蝕坑部位試樣、未腐蝕部位試樣進(jìn)行 顯微組織觀察,如圖３所示.可見浸蝕前腐蝕坑部 位有裂紋,見圖３a);浸蝕后腐蝕坑部位的顯微組織 為鐵素體＋珠光體,未發(fā)現(xiàn)球化的珠光體,這說明鋼 管不存在高溫老化現(xiàn)象;腐蝕產(chǎn)物為層狀,基體晶界 有微裂紋,在基體與腐蝕產(chǎn)物的交界處腐蝕產(chǎn)物沿 晶間裂紋向基體方向延伸,見圖３b);未腐蝕部位顯 微組織為鐵素體＋珠光體,見圖３c).
１．４ 微觀分析
在２號鋼管的爆口和內(nèi)壁取樣,采用 SUPRA ５５型掃描電鏡(SEM)對試樣進(jìn)行觀察,可見爆口斷 面有裂紋和孔洞,見圖４a);爆口處腐蝕坑腐蝕產(chǎn)物 剝落后表面有網(wǎng)狀裂紋和氣泡狀蝕孔,見圖４b);鋼 管內(nèi)壁部分結(jié)垢處存在小腐蝕坑,見圖４c).
對２號鋼管爆口腐蝕坑[圖４b)中 A 區(qū)域]和非 爆口內(nèi)壁結(jié)垢處[圖４c)中 B區(qū)域]用 XＧmax５０型能 譜儀(EDS)進(jìn)行能譜分析,結(jié)果分別如圖５和圖６所 示.可見鋼管爆口腐蝕坑處氯元素較富集,腐蝕坑外 氧元素較富集,推測腐蝕坑由氯離子與溶解氧的電化 學(xué)腐蝕作用而形成.鋼管非爆口內(nèi)壁結(jié)垢區(qū)域的小 腐蝕坑處存在多種元素,推測垢層中有磷酸鹽等.
１．５ 垢層分析
根據(jù) DL/T１１５１．１~１１５１．２２－２０１２«火力發(fā)電 廠垢和腐蝕產(chǎn)物分析方法»,對左水冷蒸發(fā)屏前數(shù)第 １根鋼管內(nèi)壁非腐蝕坑處的垢層密度和組成進(jìn)行分 析,結(jié)果顯示垢層密度為 ２３４．０g??m－３,結(jié)垢較嚴(yán) 重,垢層的組成如表２所示.由表２可見,垢層的組 成物質(zhì)具有多樣性.
１．６ 腐蝕產(chǎn)物的 X射線衍射分析
對２號鋼管爆口處的腐蝕產(chǎn)物取樣,采用 RigakuultimaIII型X射線衍射儀對試樣進(jìn)行 X射線衍射分 析.由圖７可見,腐蝕產(chǎn)物主要為 Fe３O４ 并有少量 Fe２O３.對這兩相的衍射峰強(qiáng)度進(jìn)行定量分析,可得到Fe３O４ 和Fe２O３ 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為９３．９％和６．１％.
１．７ 水氣質(zhì)量分析
根據(jù) GB/T１２１４５－２０１６«火力發(fā)電機(jī)組及蒸 汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量»的要求,鍋爐給水應(yīng)采用爐水 固化堿化劑(磷酸鹽和氫氧化鈉)處理的還原性全揮 發(fā)處理鍋爐水.抽查鍋爐投運以來水氣質(zhì)量監(jiān)督的 化驗記錄發(fā)現(xiàn)多項監(jiān)督指標(biāo)存在超標(biāo)現(xiàn)象,其中,蒸 汽品質(zhì)主要的監(jiān)督項目二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá) 到５０６００μg??kg －１,遠(yuǎn)超 GB/T１２１４５－２０１６ 中 二 氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于１５μg??kg －１的要求,鈉的 質(zhì) 量 分 數(shù) 最 高 達(dá) 到４７０１０μg??kg －１,遠(yuǎn) 超 GB/T １２１４５－２０１６中鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于５μg??kg －１ 的 要求,給水溶解氧的質(zhì)量濃度最高達(dá)到６８１μg??L－１, 遠(yuǎn)超 GB/T１２１４５－２０１６中溶解氧的質(zhì)量濃度不大 于７μg??L－１的要求;大部分鍋爐給水、鍋爐水的pH 和磷酸根含量不符合 GB/T１２１４５－２０１６的要求, 推測是由于鍋爐運行不規(guī)范、負(fù)荷波動大、排污不到 位導(dǎo)致多項水氣指標(biāo)存在超標(biāo).
２ 分析與討論
從上述理化檢驗結(jié)果可知,失效鋼管的化學(xué)成 分及顯微組織均符合相關(guān)技術(shù)要求,鋼管材料不存 在問題.對照文獻(xiàn)[１－３]可知鍋爐發(fā)生爆管不是垢 下堿腐蝕、水垢阻礙熱傳導(dǎo)而形成局部過熱爆管、氫 損傷等原因造成,而是由其他原因綜合造成.
２．１ 垢下氧腐蝕
水氣系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)離子導(dǎo)致鋼管表面出現(xiàn)結(jié)垢 和腐蝕等現(xiàn)象,在氧超標(biāo)時就會造成垢下氧腐蝕. 鍋爐給水一般經(jīng)過嚴(yán)格的脫氧處理,但如果脫氧效 果不好,給水中氧元素濃度就會超標(biāo).大量氧元素 的侵蝕會使鍋爐鋼管內(nèi)壁表面發(fā)生電池反應(yīng)形成坑 狀腐蝕或局部腐蝕從而導(dǎo)致鋼管失效[３Ｇ５].腐蝕反 應(yīng)機(jī)理如下
由于鍋爐給水中的氧元素濃度長期超標(biāo),氧腐蝕成為水冷蒸發(fā)屏爆管的一個主要因素,由腐蝕產(chǎn) 物的 XRD檢測結(jié)果可知,腐蝕產(chǎn)物的物相組成中 Fe２O３ 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到９３．９％,這與氧腐蝕的結(jié)果 較吻合.由于氧濃度增大有利于陰極區(qū)反應(yīng)向正向 進(jìn)行,因此,當(dāng)鍋爐水中氧濃度增大時(質(zhì)量濃度最 高達(dá)到６８１μg??L－１),會加大鍋爐鋼管內(nèi)壁的氧腐 蝕程度.氧腐蝕通常發(fā)生在鍋爐煙道尾部的省煤器 入口和水冷壁系統(tǒng),主要由鋼管內(nèi)壁結(jié)垢引起[５].由 垢樣分析結(jié)果可知水冷蒸發(fā)屏鋼管內(nèi)壁垢量較多. 現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),水冷蒸發(fā)屏集箱底部排污閥不是快開 閥,且鍋爐運行中定排工作不到位,這導(dǎo)致水冷蒸發(fā) 屏鋼管內(nèi)壁大量結(jié)垢,為垢下氧腐蝕提供了條件.
２．２ 氯離子及氧腐蝕
水氣系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)離子中氯離子的危害較嚴(yán) 重,會使鋼管表面由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài),從而 破壞鋼管表面的保護(hù)膜[６].GB/T１２１４５－２０１６中 對鍋爐額定工作壓力為１２．７ MPa以下的鍋爐水中 氯離子的濃度未做要求,所以水氣化驗中通常未對 該項進(jìn)行監(jiān)測.從能譜分析結(jié)果可知,鋼管爆口腐 蝕坑處氯元素較富集,說明鍋爐水中存在氯離子. 含氯離子的鍋爐水對碳素鋼的腐蝕性較小,但加入 氧氣后,鋼表面的析氫速率會迅速增加,且鋼表面有 孔蝕現(xiàn)象出現(xiàn)[７Ｇ９].在陽極極化的條件下,介質(zhì)中的 氯離子可使金屬發(fā)生孔蝕,隨著氯離子濃度的增加, 孔蝕電位下降,孔蝕更容易發(fā)生并加速進(jìn)行.當(dāng)鍋 爐水中同時存在氯離子和溶解氧時,鍋爐鋼管蒸發(fā) 受熱面上溶解氧較多的部位與供氧受阻的部位就會 形成供氧差異腐蝕電池,高溫下該腐蝕會加速進(jìn)行 直到鋼管破裂[８].腐蝕反應(yīng)機(jī)理如下
腐蝕坑腐蝕產(chǎn)物剝落后其表面氣泡狀蝕孔內(nèi)氯 元素濃度明顯較高,說明氯離子富集在蝕孔處,導(dǎo)致氧元素濃度較低形成貧氧區(qū),蝕孔外氧元素濃度較 高形成富氧區(qū).
２．３ 其他因素
由于鍋爐存在較大的負(fù)荷波動,其運行蒸發(fā)量 最高時達(dá)到１５７t??h－１,最低時為９０t??h－１,爐床發(fā) 生過多次超溫結(jié)焦事故造成停爐,這些因素會造成 鍋爐的水冷壁和水冷蒸發(fā)屏鼓包,還會導(dǎo)致水冷蒸 發(fā)屏的受熱面鋼管產(chǎn)生低頻高強(qiáng)度周期性應(yīng)力.當(dāng) 腐蝕產(chǎn)生后,在周期性應(yīng)力的作用下,鋼管的管壁膨 脹導(dǎo)致其表面的氧化膜和腐蝕產(chǎn)物剝落或破裂,暴 露出的鋼管表面受到滲入介質(zhì)(氯離子、溶解氧)的 腐蝕后形成微孔和裂紋,裂紋在下一個膨脹周期繼 續(xù)加深,最終導(dǎo)致爆管.
３ 結(jié)論及建議
鍋爐由于運行不規(guī)范及排污不到位,多項水氣 指標(biāo)存在超標(biāo),造成水冷蒸發(fā)屏鋼管內(nèi)壁結(jié)垢,加上 鍋爐給水中氧元素濃度長期嚴(yán)重超標(biāo)引起垢下氧腐 蝕、氯離子及氧腐蝕,在周期性應(yīng)力的作用下,管壁 上形成裂紋且裂紋不斷加深,最終導(dǎo)致爆管.
建議加強(qiáng)檢查以確保鍋爐鍋筒、水冷蒸發(fā)屏進(jìn) 口集箱和水冷壁下集箱等排污系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn);加強(qiáng) 檢驗監(jiān)督,提高鍋爐給水和鍋爐水品質(zhì),加強(qiáng)水氣化 驗結(jié)果的可靠性、及時性和聯(lián)動性,發(fā)現(xiàn)水氣質(zhì)量超 標(biāo)時及時處理;禁止鍋爐超負(fù)荷運行,保持其平穩(wěn)運行;有條件停爐時,需對水冷蒸發(fā)屏鋼管進(jìn)行普查, 對發(fā)生減薄的管段進(jìn)行更換處理;停爐時做好保養(yǎng), 有條件時開展化學(xué)清洗.
參考文獻(xiàn):
[１] 何成,肖文彬．鍋爐爐底水冷壁管爆管分析[J]．理化 檢驗(物理分冊),２００１,３７(８):３５５Ｇ３５６．
[２] 殷偉俐．電站鍋爐水冷壁管失效分析[J]．理化檢驗 (物理分冊),２００９,４５(９):５６７Ｇ５６９．
[３] 李彥林．鍋爐熱管失效分析及預(yù)防[M]．北京:中國電 力出版社,２００６．
[４] 李培元．火力發(fā)電廠水處理及水質(zhì)控制[M]．北京:中 國電力出版社,２０００:４０６Ｇ４０７．
[５] 趙志農(nóng)．腐蝕失效分析案例[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版 社,２００９．
[６] 時軍波,徐娜,陳立宗,等．水冷壁管腐蝕破壞原因分 析[J]．熱加工工藝,２０１３,４２(１６):２１２Ｇ２１４．
[７] ASHFORDJ H,GARNSEY R,MANN G M W． Corrosionof mildsteelunderheattransferinhigh temperatureaeratedsodium chloridesolutions[J]． CorrosionScience,１９７４,１４(９):５１５Ｇ５２５．
[８] MANNG M W,TEAREPW．TheoxidationofironＧ chromiumalloysinferrouschloridesolutionat３００℃ [J]．CorrosionScience,１９７２,１２(４):３６１Ｇ３６９．
[９] 趙晶晶,黃莉,胡學(xué)文．熱力機(jī)組爐內(nèi)氯離子的腐蝕 機(jī)理及其防止對策[J]．腐蝕與防護(hù),２００４,２５(２):６５Ｇ ６８．