循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱器泄漏原因分析

于程煒1，賴云亭，朱保印，左敦桂，張國棟

(1. 天津國華盤山發(fā)電有限責(zé)任公司，天津 300000；2. 蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

鍋爐高溫過熱器是鍋爐內(nèi)溫度最高的受熱面管，其失效是引起鍋爐停運(yùn)的最主要原因之一[1-3]。鍋爐高溫過熱器管內(nèi)高溫高壓蒸汽流速較快，管外為高溫?zé)煔猓^熱器管壁內(nèi)外溫差較大，容易產(chǎn)生超溫(運(yùn)行中鍋爐出口蒸汽溫度或受熱面管管壁溫度超過其規(guī)定值的現(xiàn)象)和管壁腐蝕。15CrMoG合金鋼[4-5]長期在高溫、高壓環(huán)境中服役，高溫和應(yīng)力作用會提高原子活躍度和加快原子擴(kuò)散，引起組織與性能變化，降低材質(zhì)對硫、氫、煙氣[6-8]等介質(zhì)的耐腐蝕性能。

某電廠2臺75T型流化床鍋爐于2010年投入運(yùn)行，鍋爐高溫過熱器采用Φ42 mm×3.5 mm鋼管，材料為15CrMoG，管道順列布置，橫向節(jié)距為90 mm，過熱器管道外部煙氣溫度為700～800 ℃，管內(nèi)蒸汽溫度為380 ℃。運(yùn)行6 a后，水壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1號鍋爐和2號鍋爐各有一根高溫過熱器管道(用1號管和2號管表示)在彎頭處發(fā)生泄漏，泄漏位置如圖1所示。截至泄漏時，2臺鍋爐輪流運(yùn)行，每臺總運(yùn)行時間約22 000 h。本工作通過宏觀檢查、化學(xué)成分分析、硬度試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等方法對發(fā)生泄漏的高溫過熱器管段開展理化檢驗(yàn)，分析了高溫過熱器管的泄漏原因，為保障機(jī)組安全運(yùn)行提供技術(shù)參考。

圖1 泄漏彎頭在高溫過熱器中的位置Fig.1 Positions of leaky elbows in high temperature super-heaters

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

高溫過熱器失效管的宏觀腐蝕形貌如圖2所示。宏觀檢查發(fā)現(xiàn):高溫過熱器管外壁結(jié)垢嚴(yán)重，局部區(qū)域出現(xiàn)蛻皮現(xiàn)象；1號彎頭外壁垢層厚約2.07 mm，2號彎頭外壁垢層厚約2.54 mm；兩個泄漏點(diǎn)均位于彎頭外弧靠近迎煙側(cè)，呈孔狀形貌；1號彎頭泄漏點(diǎn)直徑約3 mm，2號彎頭泄漏點(diǎn)直徑約2 mm；送檢管均未見明顯的脹粗，但彎頭外弧側(cè)的壁厚均偏低，僅為3 mm左右，而直管段壁厚為3.5 mm。

(a) 整體形貌

(b) 1號彎頭，局部形貌

(c) 2號彎頭，局部形貌

1.2 化學(xué)成分分析

從1號管的直管段取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。化學(xué)成分分析結(jié)果表明，該失效管的化學(xué)成分符合GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMoG鋼的要求。

表1 失效管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.3 硬度試驗(yàn)

從1號、2號管的彎頭內(nèi)外弧側(cè)及直管段取樣，進(jìn)行維氏硬度檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，高溫過熱器失效管彎頭處的硬度均高于DL/T 438—2016標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中對15CrMo鋼的硬度要求(118～180 HB，參照ISO 18265標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于125～190 HV)的上限，直管段的硬度滿足要求。

表2 失效管不同位置的硬度

1.4 金相分析

高溫過熱器管的不同位置取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果見圖3和圖4。金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，高溫過熱器管泄漏點(diǎn)由內(nèi)壁側(cè)向外壁側(cè)呈減小的喇叭形，泄漏點(diǎn)處微觀組織沒有明顯的塑性變形及過熱蠕變特征，泄漏點(diǎn)附近及直管段組織均為珠光體+鐵素體，老化程度為輕度老化。

(a) 彎頭泄漏點(diǎn)處，低倍

(b) 彎頭泄漏點(diǎn)處，高倍

(c) 彎頭基體

(d) 直管段基體

(a) 彎頭泄漏點(diǎn)處，低倍

(b) 彎頭泄漏點(diǎn)處，高倍

(c) 彎頭基體

(d) 直管段基體

1.5 掃描電鏡及能譜分析

從失效管泄漏點(diǎn)附近內(nèi)、外表面取垢樣進(jìn)行掃描電鏡觀察及能譜分析，結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5中的能譜分析結(jié)果表明:兩根高溫過熱器管道外壁垢的主要成分為鐵氧化物，同時含有較高的腐蝕性元素硫，及灰分元素鉀、鈣等。對高溫過熱器管泄漏點(diǎn)處彎頭剖開，從其宏觀腐蝕形貌可見，泄漏點(diǎn)處內(nèi)壁有較多的腐蝕坑，腐蝕較為嚴(yán)重，1號管腐蝕坑最深達(dá)2.02 mm，2號管腐蝕坑最深達(dá)1.35 mm，且腐蝕坑均集中于彎頭的最下部內(nèi)表面，其余位置未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑。圖6中的能譜分析結(jié)果表明:內(nèi)壁腐蝕坑處的主要成分為鐵氧化物，同時含有少量的鈣、鎂及硫元素。

(a) 1號管，SEM形貌

(b) 1號管，EDS譜

(c) 2號管，SEM形貌

(d) 2號管，EDS譜

2 分析與討論

兩段高溫過熱器管均在彎頭外弧底部發(fā)生泄漏。化學(xué)分析結(jié)果表明，其化學(xué)成分符合GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。失效管直管段的硬度符合DL/T 438—2016標(biāo)準(zhǔn)要求，但彎頭處硬度高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限。金相分析結(jié)果顯示，泄漏點(diǎn)附近及直管段組織均為珠光體+鐵素體，老化程度較輕，這表明該泄漏管段的材料滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，未出現(xiàn)明顯劣化，而彎頭硬度過高是由于彎管后加工硬化引起的，與運(yùn)行無關(guān)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，泄漏點(diǎn)內(nèi)壁嚴(yán)重腐蝕，腐蝕坑較深，腐蝕坑處管壁減薄嚴(yán)重。1號管腐蝕坑最深達(dá)2.02 mm，2號管腐蝕坑最深達(dá)1.35 mm， 且腐蝕坑均集中于彎頭最下部的內(nèi)表面，其余位置未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑。能譜分析結(jié)果表明，內(nèi)壁腐蝕坑處的主要成分為鐵的氧化物，同時含有少量的鈣、鎂及硫元素。1號和2號鍋爐自2010年投運(yùn)以來輪流運(yùn)行，鍋爐高溫過熱器管豎向布置，在停爐期間，下彎頭底部有積水，極易在該處形成積垢，從而造成局部電化學(xué)腐蝕[6-7]。積垢中氧化物的電位較高，為陰極，而金屬壁電位較低，為陽極，陽極的鐵離子不斷溶入爐水，與氧化鐵生成新的高價氧化鐵，如式(1)所示，最終在彎頭底部形成較深的腐蝕坑，同時，腐蝕坑內(nèi)外氧含量存在差別，形成氧濃差電池，使已產(chǎn)生的點(diǎn)蝕孔不斷發(fā)展。

(1)

(a) 1號管，宏觀腐蝕形貌

(b) 1號管，SEM形貌

(c) 1號管，EDS譜

(d) 2號管，宏觀腐蝕形貌

(e) 2號管，SEM形貌

(f) 2號管，EDS譜

此外，泄漏點(diǎn)外壁存在嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象。外壁垢的能譜分析結(jié)果表明，垢中含有較多硫元素，這是由于當(dāng)含有一定量硫、鈉和鉀等化合物的燃料燃燒后，灰垢中的K2SO4和Na2SO4與含有SO2的煙氣及管外壁氧化鐵作用形成堿金屬復(fù)合硫酸鹽 K2Fe(SO4) 及Na5Fe(SO4)5。這種復(fù)合硫酸鹽在550～710 ℃范圍內(nèi)熔化成液態(tài)，具有強(qiáng)烈腐蝕性。這種煙氣的腐蝕作用加速了外壁的腐蝕結(jié)垢，導(dǎo)致高溫過熱器管壁減薄。最終，在電化學(xué)腐蝕和煙氣腐蝕共同作用下，管壁不斷減薄直至泄漏。

3 結(jié)論及建議

高溫過熱器管泄漏的主要原因?yàn)閺濐^底部積水產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，造成壁厚嚴(yán)重減薄；同時，外壁的煙氣腐蝕結(jié)垢加劇了管壁的減薄，當(dāng)腐蝕坑底部壁厚最薄處應(yīng)力高于材料強(qiáng)度時，管段發(fā)生泄漏失效。針對高溫過熱器管泄漏的原因，提出以下建議。

(1) 在鍋爐停爐期間，排出爐管底部積水，從而減少內(nèi)壁腐蝕，延長過熱器的使用壽命；

(2) 優(yōu)化高溫過熱器彎頭結(jié)構(gòu)，避免彎頭停爐積水；

(3) 控制并改善水質(zhì)，盡量降低水中有害元素的含量；

(4) 擴(kuò)大高溫過熱器管段彎頭處檢查，對內(nèi)壁腐蝕較嚴(yán)重管段進(jìn)行更換。