摘 要:某化工廠自備電站鍋爐內水冷蒸發屏鋼管多次發生爆管,采用宏觀觀察、化學成分分析、 金相檢驗、微觀分析、垢層分析、X射線衍射分析和水氣質量分析等方法分析了其爆管原因.結果表 明:水氣指標超標造成水冷蒸發屏鋼管內壁結垢,而鍋爐給水中氧元素濃度長期嚴重超標引起垢下氧 腐蝕、氯離子及氧腐蝕,在周期性應力的作用下,鋼管內壁形成裂紋且裂紋不斷加深,最終導致爆管.
關鍵詞:鍋爐;水冷蒸發屏;爆管;氧腐蝕
中圖分類號:TK２２３．３ 文獻標志碼: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 然循環和循環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,膜式水冷壁爐膛內配有屏 式過熱器和水冷蒸發屏.鍋爐投產運行 １１８００h 后,在半個月內發生３次水冷蒸發屏爆管事故.其 中,水冷 蒸 發 屏 規 格 為 ?６０ mm×６ mm,材 料 為 ２０G 鋼.鍋爐額定蒸發量為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 了查明水冷蒸發屏爆管發生的原因,保障鍋爐安全、 穩定地運行,筆者對該鍋爐爆管原因進行了分析.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀觀察
對３次爆管的水冷蒸發屏鋼管爆口進行宏觀觀 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屏下穿墻橫管下數第４根(澆 注料內),爆口直徑為１０mm,鋼管未出現脹粗現象. 由于操作人員對爆口處進行堆焊搶修后鍋爐重啟運 行,無法查看１號鋼管內壁的情況.２號鋼管的爆口 位于右水冷蒸發屏下部前數第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,鋼管未出現脹粗現象, 爆口呈現出脆性爆破的特征.沿縱向剖開管段后,可 見其內壁有潰瘍狀腐蝕坑,腐蝕坑區域有較厚的黑色沉積物,該沉積物質地較硬且不易剝落.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屏前 數第２根和第２０根澆注料上方５mm 處,該鋼管的 內壁腐蝕坑形貌和２號鋼管的類似.
對２,３號鋼管爆口同高度的左、右水冷蒸發屏 全部鋼管的管壁厚度進行測量,發現左水冷蒸發屏 前數第１,７,１２,１９,２１根鋼管管壁減薄較嚴重,剖開 第１根鋼管,發現其內壁結垢較多,管壁減薄處有腐 蝕坑,如圖２所示.現場檢查運行記錄后發現,該鍋 爐為配合生產線需要存在超負荷運行情況,運行蒸 發量在９０~１６１t??h－１波動.此外,該鍋爐還發生過 多起爐床超溫結焦事故.
１．２ 化學成分分析
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 進行化學成分分析,結果見表１.由表１可知,２,３ 號鋼管的化學成分符合GB/T５３１０－２０１７«高壓鍋爐用無縫鋼管»對２０G 鋼的技術要求.
１．３ 金相檢驗
在２號鋼管內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,采用體積分數為 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,未發現球化的珠光體,這說明鋼 管不存在高溫老化現象;腐蝕產物為層狀,基體晶界 有微裂紋,在基體與腐蝕產物的交界處腐蝕產物沿 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號鋼管的爆口和內壁取樣,采用 SUPRA ５５型掃描電鏡(SEM)對試樣進行觀察,可見爆口斷 面有裂紋和孔洞,見圖４a);爆口處腐蝕坑腐蝕產物 剝落后表面有網狀裂紋和氣泡狀蝕孔,見圖４b);鋼 管內壁部分結垢處存在小腐蝕坑,見圖４c).
對２號鋼管爆口腐蝕坑[圖４b)中 A 區域]和非 爆口內壁結垢處[圖４c)中 B區域]用 XＧmax５０型能 譜儀(EDS)進行能譜分析,結果分別如圖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 學腐蝕作用而形成.鋼管非爆口內壁結垢區域的小 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 DL/T１１５１．１~１１５１．２２－２０１２«火力發電 廠垢和腐蝕產物分析方法»,對左水冷蒸發屏前數第 １根鋼管內壁非腐蝕坑處的垢層密度和組成進行分 析,結果顯示垢層密度為 ２３４．０g??m－３,結垢較嚴 重,垢層的組成如表２所示.由表２可見,垢層的組 成物質具有多樣性.
１．６ 腐蝕產物的 X射線衍射分析
對２號鋼管爆口處的腐蝕產物取樣,采用 RigakuultimaIII型X射線衍射儀對試樣進行 X射線衍射分 析.由圖７可見,腐蝕產物主要為 Fe３O４ 并有少量 Fe２O３.對這兩相的衍射峰強度進行定量分析,可得到Fe３O４ 和Fe２O３ 的質量分數分別為９３．９％和６．１％.
１．７ 水氣質量分析
根據 GB/T１２１４５－２０１６«火力發電機組及蒸 汽動力設備水汽質量»的要求,鍋爐給水應采用爐水 固化堿化劑(磷酸鹽和氫氧化鈉)處理的還原性全揮 發處理鍋爐水.抽查鍋爐投運以來水氣質量監督的 化驗記錄發現多項監督指標存在超標現象,其中,蒸 汽品質主要的監督項目二氧化硅的質量分數最高達 到５０６００μg??kg －１,遠超 GB/T１２１４５－２０１６ 中 二 氧化硅的質量分數不大于１５μg??kg －１的要求,鈉的 質 量 分 數 最 高 達 到４７０１０μg??kg －１,遠 超 GB/T １２１４５－２０１６中鈉的質量分數不大于５μg??kg －１ 的 要求,給水溶解氧的質量濃度最高達到６８１μg??L－１, 遠超 GB/T１２１４５－２０１６中溶解氧的質量濃度不大 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范、負荷波動大、排污不到 位導致多項水氣指標存在超標.
２ 分析與討論
從上述理化檢驗結果可知,失效鋼管的化學成 分及顯微組織均符合相關技術要求,鋼管材料不存 在問題.對照文獻[１－３]可知鍋爐發生爆管不是垢 下堿腐蝕、水垢阻礙熱傳導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
水氣系統內的雜質離子導致鋼管表面出現結垢 和腐蝕等現象,在氧超標時就會造成垢下氧腐蝕. 鍋爐給水一般經過嚴格的脫氧處理,但如果脫氧效 果不好,給水中氧元素濃度就會超標.大量氧元素 的侵蝕會使鍋爐鋼管內壁表面發生電池反應形成坑 狀腐蝕或局部腐蝕從而導致鋼管失效[３Ｇ５].腐蝕反 應機理如下
由于鍋爐給水中的氧元素濃度長期超標,氧腐蝕成為水冷蒸發屏爆管的一個主要因素,由腐蝕產 物的 XRD檢測結果可知,腐蝕產物的物相組成中 Fe２O３ 的質量分數達到９３．９％,這與氧腐蝕的結果 較吻合.由于氧濃度增大有利于陰極區反應向正向 進行,因此,當鍋爐水中氧濃度增大時(質量濃度最 高達到６８１μg??L－１),會加大鍋爐鋼管內壁的氧腐 蝕程度.氧腐蝕通常發生在鍋爐煙道尾部的省煤器 入口和水冷壁系統,主要由鋼管內壁結垢引起[５].由 垢樣分析結果可知水冷蒸發屏鋼管內壁垢量較多. 現場檢查發現,水冷蒸發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,這導致水冷蒸發 屏鋼管內壁大量結垢,為垢下氧腐蝕提供了條件.
２．２ 氯離子及氧腐蝕
水氣系統內的雜質離子中氯離子的危害較嚴 重,會使鋼管表面由鈍化狀態轉變為活化狀態,從而 破壞鋼管表面的保護膜[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 該項進行監測.從能譜分析結果可知,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 孔蝕現象出現[７Ｇ９].在陽極極化的條件下,介質中的 氯離子可使金屬發生孔蝕,隨著氯離子濃度的增加, 孔蝕電位下降,孔蝕更容易發生并加速進行.當鍋 爐水中同時存在氯離子和溶解氧時,鍋爐鋼管蒸發 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行 直到鋼管破裂[８].腐蝕反應機理如下
腐蝕坑腐蝕產物剝落后其表面氣泡狀蝕孔內氯 元素濃度明顯較高,說明氯離子富集在蝕孔處,導致氧元素濃度較低形成貧氧區,蝕孔外氧元素濃度較 高形成富氧區.
２．３ 其他因素
由于鍋爐存在較大的負荷波動,其運行蒸發量 最高時達到１５７t??h－１,最低時為９０t??h－１,爐床發 生過多次超溫結焦事故造成停爐,這些因素會造成 鍋爐的水冷壁和水冷蒸發屏鼓包,還會導致水冷蒸 發屏的受熱面鋼管產生低頻高強度周期性應力.當 腐蝕產生后,在周期性應力的作用下,鋼管的管壁膨 脹導致其表面的氧化膜和腐蝕產物剝落或破裂,暴 露出的鋼管表面受到滲入介質(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 續加深,最終導致爆管.
３ 結論及建議
鍋爐由于運行不規范及排污不到位,多項水氣 指標存在超標,造成水冷蒸發屏鋼管內壁結垢,加上 鍋爐給水中氧元素濃度長期嚴重超標引起垢下氧腐 蝕、氯離子及氧腐蝕,在周期性應力的作用下,管壁 上形成裂紋且裂紋不斷加深,最終導致爆管.
建議加強檢查以確保鍋爐鍋筒、水冷蒸發屏進 口集箱和水冷壁下集箱等排污系統正常運轉;加強 檢驗監督,提高鍋爐給水和鍋爐水品質,加強水氣化 驗結果的可靠性、及時性和聯動性,發現水氣質量超 標時及時處理;禁止鍋爐超負荷運行,保持其平穩運行;有條件停爐時,需對水冷蒸發屏鋼管進行普查, 對發生減薄的管段進行更換處理;停爐時做好保養, 有條件時開展化學清洗.
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