汽輪機凝汽器換熱管腐蝕泄露的研究與分析

華能沁北發電有限責任公司 桑秀軍 張若龍 吳 偉

1 前言

華能沁北發電有限責任公司一期建設2臺600MW超臨界機組，汽輪機是哈爾濱汽輪機有限責任公司與三菱公司合作設計生產的CLN600-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機。凝汽器4個水室內共有42508根換熱管，換熱管材質為TP304不銹鋼。#1機組于2004年11月通過了168h試運，投入商業運行。

2 事件經過

2015年10月1日#1機組C級檢修，檢修施工隊伍負責#1凝汽器換熱管清洗工作。此項工作要求施工隊伍對換熱管以高壓水沖洗方式進行清洗處理，10月28日換熱管清洗工作結束，甲方對此項工作進行三級驗收，由于換熱管積垢嚴重，高壓水沖洗未能徹底除垢，第一次驗收未通過。該施工隊伍進行第二次高壓水清洗工作，效果不明顯，為通過驗收，該公司沒有按照甲方要求繼續用高壓水沖洗，如積垢無法徹底清除，就不再進行沖洗工作的要求，施工隊伍在未征得甲方同意的情況下擅自改變作業方式，用自制鋼絲工具在換熱管內來回進行摩擦除垢。11月6日凝汽器高壓水沖洗工作結束，進行第二次驗收，驗收通過。11月7日16時對#1機組凝汽器汽側進行注水查漏工作。18時左右發現#1機組高背壓凝汽器固定端水室換熱管大面積漏水。

經過仔細清點，從固定端到擴建端4個水室經現場注水查漏及西安熱工院渦流檢測發現泄漏的換熱管數量分別為1180根、90根、14根、13根，共計1297根。經過對部分換熱管進行取樣分析。將其中一根腐蝕泄漏的凝汽器管（#1樣管）沿縱向截面剖開直管，發現內壁局部殘留有較厚的垢層，光亮處有1個肉眼可見的腐蝕穿孔，具體情況見圖1。圖1中A為內壁水側視圖，B為汽側視圖，腐蝕孔徑約0.7mm，水側腐蝕口比較規則，汽側腐蝕口不是很規則，基本可判斷腐蝕從水側開始發展，直至穿孔。

圖1 管樣貫穿性腐蝕孔宏觀照片

將在另外一根凝汽管樣（#2樣管）沿縱向截面剖開后，內壁局部殘留有少量垢層，同時發現有1個肉眼可見的未穿透腐蝕坑，見圖2，腐蝕坑直徑約0.9mm。

圖2 樣腐蝕坑（未穿透）形貌

3 原因分析

一期工程循環水水源設計為地下水，運行初期地下水的水質如表1。

循環水的運行方式為循環水旁流處理+加循環水阻垢劑處理方式，循環水的濃縮倍率設計為4.4—6.0倍。隨著時間的推移，近年來地下水的水質有所惡化，水中的氯離子有所增加，2013年地下水氯離子含量較2006年增加了230%。地下水CL-的變化趨勢如圖3所示。

隨著環保政策的變化，2014年地下水被關停，一期的循環水補充水源全部被改為地表水和城市中水的混合水，混合水的水質變化情況如表2。

根據現在的補充水水質變化，若保持設計時的濃縮倍率，即4.0到6.0倍，循環水中的CL-就要接近200mg/l，這樣達到設計凝汽器管材的材質要求極限。但自2014年9月1日起，電廠實現了廢水零排放，所有循環水不能進行排污，同時由于一期的反滲透膜和超濾膜裝置也超過壽命使用，脫鹽率下降導致循環水的水質逐漸變差， #1、2機組在2014年全年的循環水中CL-的月平均含量變化圖4、圖5所示。

2015年隨著一期超濾膜和反滲透膜的更換，處理水量逐漸增大，使一期的循環水水質得到一定程度的改善，#1、2機組循環水的水質具體變化如圖6、圖7。

綜合以上分析，筆者認為華能沁北電廠#1機組凝汽器TP304不銹鋼管腐蝕泄漏的原因主要有以下幾點：

1）為滿足循環水系統零排污的要求，#1機組循環冷卻水基本不排污，而受到鍋爐補給水取水量變化、弱酸床出水水質變化以及不定期補入中水等因素的影響，#1機循環水運行濃縮倍率波動范圍大，最大超過10倍，遠超過設計運行控制值；循環水水質不穩定，凝汽器換熱管出現明顯結垢，循環水氯離子也明顯超標。

2）換熱管垢層與金屬表面之間的電解質難以與外界介質進行對流和擴散而形成閉塞區；閉塞區內金屬腐蝕存在自催化作用，金屬離子濃度增加，為保持電荷平衡，穿透力較強的氯離子不斷遷移進入蝕孔，引起閉塞區氯離子富集而誘發點腐蝕。與此同時，蝕孔內金屬氯化物發生水解，產生H+導致閉塞區pH下降，形成酸性環境，進一步加速金屬溶解和氯離子濃縮，形成惡性循環，最終出現腐蝕穿孔。

表1 運行初期地下水的水質

表2 混合水的水質變化情況

圖3地下水CL-的變化趨勢

圖4 2014年#1機組循環水中氯離子變化趨勢圖

3）盡管循環水中硫酸根對不銹鋼點腐蝕具有明顯得抑制作用，但由于不同離子穿透換熱管垢層的能力存在差異，穿透力強的氯離子比硫酸根離子更容易遷移進入垢下閉塞區；此外垢下硫酸鹽還原菌繁殖也會消耗硫酸鹽，因此，在閉塞區內侵蝕性離子Cl-與緩蝕性離子SO42-濃度的比值可能會明顯升高，導致不銹鋼抗點腐蝕能力大大降低。

4）換熱管表面結垢后，因換熱效果下降而引起換熱管壁溫度升高時，腐蝕速率會加快。另一方面，金屬管壁與垢層之間的縫隙會產生易于細菌（主要是硫酸鹽還原菌，屬于厭氧型微生物）繁殖的濕熱環境，細菌將硫酸鹽分解為硫化氫，也會促進閉塞區域點腐蝕的發展。

5）不銹鋼基體存在的非金屬夾雜物或表面缺陷，由于與基體之間存在電位差而最可能成為點腐蝕源，容易形成點蝕核心。從腐蝕區域X射線能譜分析結果來看，腐蝕區域局部有較高的Mn、Al、Si、S以及腐蝕性離子Cl等元素，顯示不銹鋼點腐蝕很可能是從金屬基體中存在的夾雜相部位開始發展。

綜上所述，可以得出#1凝汽器腐蝕泄漏的主要是由循環水質不穩定，換熱管結垢并產生垢下腐蝕，換熱管材質本身有非金屬夾雜物或表面缺陷，垢下腐蝕引起。

4 建議解決方案

按照《火電廠凝汽器管防腐防垢導則》要求對循環水水質進行監督檢測，通過調整弱酸陽床的出力和調整塔盆補水水源的方式進行調整循環水中的氯離子含量不超過金屬材質要求。同時要組織資金對凝汽器換熱管材質進行升級改造，滿足循環水含鹽量不斷上升的需求。建議采取如下兩種方案進行改造。

改造方案一：只對換熱管材質進行升級改造，材質為316L不銹鋼。主凝結區不銹鋼管外徑為25mm，冷卻管壁厚為0.5mm，頂部外圍和空冷區不銹鋼管外徑為25mm，冷卻管壁厚0.7mm。凝汽器布管方式和內部結構不變，為保證凝汽器的性能，更換凝汽器端管板，保留原有中間管板、支撐板和附件結構。凝汽器改造后冷卻面積為38000m2。

改造方案二：只保留凝汽器殼體，采用新型布管方式，對換熱管材質升級為316L不銹鋼，主凝結區不銹鋼管外徑為22mm，冷卻管壁厚為0.5mm；頂部外圍和空冷區不銹鋼管外徑為22mm，冷卻管壁厚0.7mm；適度增加冷卻管數量，以冷卻水通流面積不超過原凝汽器且冷卻面積增加約10%為宜。更換凝汽器端管板、中間管板、支撐板和附件結構。凝汽器改造后冷卻面積為42000m2。

在循環水泵設計性能條件下，改造方案一的水阻維持不變，改造方案二的水阻有所降低，冷卻水流量也相應的減少節能效果相對明顯。同時現場其他冷卻器進行排查，對目前使用304不銹鋼材質的設備加強各項指標監督，擇機進行材質升級，徹底消除水質變化對換熱管的腐蝕。

圖5 2014年#2機組循環水中氯離子變化趨勢圖

圖7 2015年#2機組循環水中氯離子變化趨勢圖