某化工廠自備電站鍋爐水冷蒸發屏爆管原因分析

(福建省特種設備檢驗研究院, 福建 350008)

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11 800 h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φ60 mm×6 mm，材料為20G鋼。鍋爐額定蒸發量為130 t·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

圖1 2號鋼管爆口的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of No.2 steel tube

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10 mm，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5 mm處，其宏觀形貌如圖1所示。可見該爆口呈核桃狀，長度為40 mm，寬度為25 mm，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5 mm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90～161 t·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FOUNDR-MASTER PRO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/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對20G鋼的技術要求。

圖2 第1根鋼管內壁的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of inner wall of the first steel tube

%

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Axio Observer.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)。

圖3 2號鋼管不同部位的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of different parts of No.2 steel tube: a) corrosion pit part before erosion; b) corrosion pit part after erosion; c) non corrosive part

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)。

圖4 2號鋼管爆口和內壁的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of burst and inner wall of No.2 steel tube: a) burst section; b) corrosion pit of burst; c) inner wall of steel tube

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X-max 50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。

圖5 2號鋼管爆口腐蝕坑及其附近的EDS分析結果及元素分布情況Fig.5 EDS analysis result and element distribution of corrosion pit and its nearby of burst of No.2 steel tube

圖6 2號鋼管非爆口內壁結垢處的EDS分析結果及元素分布情況Fig.6 EDS analysis result and element distribution of fouling area on the inner wall away from burst of No.2 steel tube

1.5 垢層分析

根據DL/T 1151.1～1151.22-2012《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234.0 g·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Rigaku ultima III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%。

表2 水冷蒸發屏鋼管垢層的組成(質量分數)Tab.2 Compositions of scale layer of water-cooled evaporation screen (mass fraction) %

圖7 2號鋼管腐蝕產物的XRD分析結果Fig.7 XRD analysis result of corrosion product of No.2 steel tube

1.7 水氣質量分析

根據GB/T 12145-2016《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50 600 μg·kg-1，遠超GB/T 12145-2016中二氧化硅的質量分數不大于15 μg·kg-1的要求，鈉的質量分數最高達到47 010 μg·kg-1，遠超GB/T 12145-2016中鈉的質量分數不大于5 μg·kg-1的要求,給水溶解氧的質量濃度最高達到681 μg·L-1，遠超GB/T 12145-2016中溶解氧的質量濃度不大于7 μg·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/T 12145-2016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。

近年來，隨著新能源產業的不斷發展，秸稈能源化利用得到了高度重視，國家相繼出臺了一系列鼓勵和支持相關產業發展的政策法規。在這些政策法規的鼓勵和支持下，國內生物質固體成型燃料產業蓬勃發展，截至2009年底，全國已有生產廠家260余處，生產能力每年約76. 6 萬t[13]。國內生物質固體成型燃料主要用作農村居民戶用炊事、取暖、住宅區取暖、工業鍋爐以及發電廠等的燃料，可減少一次能源的損耗，增加生態效益；減少溫室氣體排放，增加環境效益；為農民增收，增加社會效益[14]。

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[3-5]。腐蝕反應機理如下

陽極區反應

Fe→Fe2++2e-

(1)

陰極區反應

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

后續反應

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(3)

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓

(4)

(5)

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681 μg·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/T 12145-2016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[7-9]。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

貧氧區反應

3Fe→Fe2++2Fe3++8e-

(6)

2Fe2++1/2O2+8Cl-+H2O→2[FeCl4]+2OH-

(7)

Fe2++2Cl-→FeCl2

(8)

FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+2HCl

(9)

Fe+2HCl→FeCl2+H2

(10)

富氧區反應

3Fe→Fe2++2Fe3++8e-

(11)

4Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH-

(12)

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(13)

4Fe(OH)2+O2→2Fe2O3+4H2O

(14)

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157 t·h-1，最低時為90 t·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。