應力腐蝕對鍋爐對流管束管口損傷分析

【摘 要】本文針對永安車間三臺SHL20—13—A型鍋爐對流管束管口部位產生損傷，從損傷部位的外觀檢查、安裝及運行狀況進行分析，得出管口損傷的原因，提出防范措施。

【關鍵詞】鍋爐；對流管束；運行狀況；水質狀況；水流沖刷；應力集中部位易產生應力腐蝕

0 前言

鍋爐對流管束又稱對流排管，位于上、下鍋筒之間，一般由Φ51—Φ60壁厚為3-4mm的鍋爐鋼管組成，是水管鍋爐的主要受熱面。

鍋爐對流管束的安裝分為脹接和焊接兩種方式。無論脹接管或焊接管，其脹口和焊口部位都是薄弱環節，容易遭到腐蝕和其他應力的作用而產生損壞或變形。一旦對流管的脹口或焊口部位損壞或變薄。從而影響鍋爐安全運行。

1 概況

供熱公司永安車間六臺鍋爐型號均為SHL20—13—A型，雙鍋筒橫置式鏈條爐排，汽改水鍋爐，額定功率為14MW，額定工作壓力為1.3MPa，額定出水溫度/回水溫度為130℃/80℃，上鍋筒直徑為1400mm，筒體壁厚16mm，下鍋筒直徑為900mm，簡體壁厚16mm，鍋筒材質均為20G，對流管束管徑為Φ60×3，對流管束材質為20#，對流管束連接方式為脹接。其中，3#4#5#鍋爐于1987年安裝，1988年投入運行，截至2011年4月已累計運行99360小時，運行23年間沒有發生過爆管及其他鍋爐本體受壓部件損壞事故。2011年4月底，在進行鍋爐本體檢修過程中，發現3#4#5#鍋爐上鍋筒中部偏后位置的對流管束，有個別管子管口附近有不同程度的損傷缺口，如下圖照片所示：

4#爐上鍋筒對流管束管口 5#爐上鍋筒對流管束管口

2 對流管束產生裂紋的部位及原因分析

2.1 鍋爐對流管束

對流管是鍋爐的對流受熱面，它布置在爐膛出口和尾部受熱面之間，直接與高溫煙氣進行對流換熱。對流管束又稱對流排管，位于上下鍋筒之間，一般由Φ51—Φ60壁厚為3-4mm的鍋爐鋼管組成，是水管鍋爐的主要受熱面。通常由于煙氣溫度高傳熱較多，管內汽水混合物的密度小，成為上升管，反之煙氣溫度低傳熱較少，成為下降管。

2.2 永安3#4#5#鍋爐對流管束產生損傷的部位和特征

發生管口損傷的管子均分布在上鍋筒的中部，上鍋筒中心線偏后的部位。均為對流管束中的下降管。發生損傷的管子管口明顯變薄，損傷部位形狀如鋸齒狀缺口，管口損傷的管子周圍組織無變形，無明顯的氧腐蝕坑。其中管子損傷數量：5#爐管口損傷5根，管口壁變薄15根，4#爐管口損傷4根，管口壁變薄19根，3#爐管暫無損傷，管口壁變薄21根。每臺鍋爐管口損傷和管口壁變薄的管子數量約占對流管總數量的5%左右。

2.3 永安3#4#5#鍋爐運行狀況和水質狀況

2.3.1 3#4#5#鍋爐運行狀況

永安車間3#4#5#鍋爐自1988年投產以來，已累計運行99360小時，運行23年間所有運行參數均正常，沒有發生過爆管及其他鍋爐本體受壓部件損壞事故。

2.3.2 3#4#5#鍋爐水質狀況

鍋爐房給水處理采用逆流再生鈉離子交換器和解析除氧器，調節pH值采用鍋外給水加藥（Na2CO3）法。在運行期間，鍋爐給水始終保持硬度值<6.0mmol/L，含氧量<1.0mg/L，pH值在9—10之間。鍋爐給水指標符合國家標準。

2.4 永安3#4#5#鍋爐對流管束產生損壞的原因分析

2.4.1 通常損壞原因主要是：脹口滲漏和裂紋、腐蝕、焊口穿孔、管子變形、彎曲、塌陷、鼓包和爆破、長期水力沖刷、水中雜質造成的機械應力磨損和應力腐蝕等因素。

2.4.2 對損傷的管子檢查（外觀檢查）

管子外表面無異常，損壞位置均位于脹口上管邊的喇叭口處，管口和鍋筒內表面光滑，損傷的管子附近的鍋筒壁無明顯氧化痕跡，損傷的管子內壁無明顯氧化痕跡，無腐蝕斑點，損傷部位呈鋸齒狀缺口，損傷處管口壁明顯變薄，最薄處僅0.5mm，（管子原壁厚3mm），但離管口越遠管壁越厚，逐步接近正常。

發生損傷或壁厚變薄的管子均分布在上鍋筒的中部。除此以外，上鍋筒其余部位的管子，下鍋筒的所有管子管口均未發生相關的損傷和變薄現象，鍋筒內壁有零星的氧腐蝕斑點，深度約0.5mm—0.7mm左右（鍋筒原壁厚16mm）

2.4.3 對流管束管口損傷的原因分析

1）長期水力沖刷易造成管口磨損

由于鍋爐在運行期間，鍋爐給水采用上鍋筒水流由上鍋筒中后部從下降管流入下鍋筒，特別是對流管束靠近中后部的部位，鍋爐水流沖刷也會對管口產生一定的應力作用，長時間的沖刷，也會對管子造成一定的損傷。在此段管子中水流速較高，受到的沖刷力較強，這個部位受到局部腐蝕形成薄弱區，并在此區域上局部應力增長到產生初始的腐蝕。考慮到3#4#5#鍋爐已運行23年，長時間的水力沖刷也是可能造成這一結果的。

2）在應力集中部位易產生應力腐蝕

鍋爐給水經過加藥處理后往往會有一定量的堿，雖然在正常情況下，鍋水中的堿濃度會被調節到使它對鋼不產生腐蝕，但是在局部地方常常會因氫氧化鈉的富集而使水的堿濃度增大。特別是在應力集中部位易產生應力腐蝕問題。應力腐蝕是在特定的腐蝕介質和外應力共同作用下產生的。鍋爐對流管束由于脹接部位及附近區域金屬內部殘余應力的存在，且鍋爐運行中負荷變化大，溫度變化梯度大，接近鍋筒部位的管子受多種應力的同時作用，形成應力集中區域。在腐蝕凹坑上的局部應力，隨著電化學過程的進一步發展，使凹坑底部受應力最大的區域為腐蝕電池的陽極，因而首先是電化學破壞，形成許多條小腐蝕裂紋。在最初的裂紋側部是一層保護膜，它構成腐蝕電池的陰極，裂紋尖端是腐蝕電池的陽極，在最大應力作用下，裂紋尖端前面的區域是金屬局部應力最大的地方，即是裂紋擴展的區域。由于裂紋尖端存在高度集中的局部應力，而且腐蝕電池又是大面積的陰極與小面積的陽極組合，因而裂紋進一步擴展，裂紋更快長大。在高速水流沖刷應力作用下斷裂，導致對流管束管口開裂。對流管束管口處損傷是典型的應力腐蝕裂紋。

2.4.4 根據以上分析可以初步斷定，永安3#4#5#鍋爐對流管束產生損傷的原因是

位于上鍋筒中后部的下降管管口處高速水流沖刷和在應力集中部位產生應力腐蝕共同作用造成的損傷。

3 修理方案

上述損傷的修理方法，一般按下列情況進行處理。

3.1 由于損傷部位集中在脹口的管口邊沿，管口有裂紋且管口已減薄，故無法進行補脹。可以考慮改為焊接，脹口已裂紋較大或損壞或腐蝕嚴重的管子應更換。

3.2 管口損傷的管子，如果損口到達脹口部位，原則上都應更換。但如損傷只發生在管口上部，沒有達到脹口部位時，亦可不必更換，加強監檢，繼續使用。

3.3 鍋檢部門進行年檢，3#4#5#鍋爐對流管束管口的損傷部位尚未達到脹口位置，損傷數量較少，可以繼續使用，不建議采用焊接修復，但必須每年進行試壓無滲漏后再使用。

4 防止發生類似事故的基本措施

4.1 加強鍋爐水質管理，盡量減少由水垢、氧腐蝕和給水中化學殘留物對鍋爐本體受壓元件造成的各類腐蝕；

4.2 盡量合理控制每臺鍋爐流量，減少因水流沖刷和和在應力集中部位產生應力腐蝕而對爐管造成損傷，使鍋爐達到安全運行；

4.3 加強鍋爐檢修、檢驗管理，在鍋爐檢驗方面，應提出檢驗、使用方案和應急防范措施。

[責任編輯：丁艷]