某鍋爐對流管泄漏失效分析

(1. 嘉興南洋職業技術學院 機電工程分院，嘉興 314031； 2. 浙江國檢檢測技術股份有限公司，海鹽 314300)

鍋爐對流管束又稱為對流排管, 是鍋爐的對流受熱面，位于上下鍋筒之間，一般由直徑38～51 mm的鍋爐鋼管制成。作為鍋爐水循環的上升部分，其作用是增加鍋爐受熱面，吸收高溫煙氣通過對流方式放出的熱量，進一步提高鍋爐效率[1]。但因受運行環境惡劣、除氧工藝不完善、日常運維不善等因素影響，鍋爐及其附屬管道的氧腐蝕現象日趨嚴重，從而對蒸汽鍋爐運行效率、使用壽命和運行安全產生了嚴重威脅[2-3]。因此，有必要加強對蒸汽鍋爐運行的監控與維護，探討合理可行的預防措施。

某電熱公司鍋爐于2015年3月起用，同年8月即發現鍋爐內對流管出現泄漏的現象。目前，泄漏的情況較為嚴重，已有超過30根對流管出現泄漏，泄漏位置主要集中于上下鍋筒之間對流管束的中下部。分別對對流管表面腐蝕區域進行宏、微觀形貌分析，金相分析，力學性能分析和化學成分分析等多種材料學分析手段，并結合鍋爐的實際運行情況，分析了該對流管束腐蝕泄漏失效的原因，并提出相應的對策。

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀腐蝕形貌分析

從發生泄漏的鍋爐對流管處截取4段無縫鋼管管段，分別標記1號、2號、3號、4號試樣。對其中的2號、4號試樣進行重點分析。圖1為2號試樣的宏觀腐蝕形貌，可見其外表面銹蝕嚴重。將2號試樣剖開，可見其內壁呈磚紅色，且存在腐蝕坑，但未發現水垢附著，腐蝕坑直徑約為2.5 cm，腐蝕坑內被一層帶光澤的黑色硬膜覆蓋，如圖2所示。圖3為4號試樣的宏觀腐蝕形貌，其內壁同樣嚴重銹蝕，腐蝕坑直徑約為2 cm，腐蝕坑邊緣也被一層隆起的黑色硬膜覆蓋。

圖1 2號試樣外表面的宏觀腐蝕形貌Fig. 1 Macroscopic corrosion morphology of outer surface of sample No. 2

圖2 2號試樣內壁的宏觀腐蝕形貌Fig. 2 Macroscopic corrosion morphology of inner wall of sample No. 2

圖3 4號試樣內壁的宏觀腐蝕形貌Fig. 3 Macroscopic corrosion morphology of inner wall of sample No. 4

1.2 微觀腐蝕形貌分析

對泄漏對流管試樣進行微觀腐蝕形貌分析。圖4為2號試樣腐蝕坑內黑色硬膜的SEM形貌，可見該硬膜表面平整光滑，并存在龜裂紋。對該黑色硬膜進行能譜(EDS)分析，結果列于表1中。由表1可見，除基體元素Fe外，該黑色硬膜含有大量的O元素與少量的S元素。

圖5為2號試樣腐蝕坑底部未覆蓋黑色硬膜處的SEM形貌，可見該處呈多孔的蜂窩狀結構。對蜂窩狀結構進行能譜分析，結果也列于表1中。結果表明，蜂窩狀結構除基體Fe元素外，存在大量的O元素與少量的Si、P、S、Cl等元素。

圖4 2號試樣腐蝕坑底部黑色硬膜的SEM形貌Fig. 4 SEM morphology of black hard film at the bottom of pit in sample No. 2

表1 2號試樣腐蝕坑底部不同區域的EDS分析結果(質量分數)
Tab. 1 EDS analysis results of different zones at the bottom of pit in sample No. 2 (mass fraction) %

試樣OSFeSiPCl黑色硬膜40.80.358.9---蜂窩狀結構18.10.779.50.80.60.3

圖5 2號試樣腐蝕坑底部未覆蓋黑色硬膜處的SEM形貌Fig. 5 SEM morphology of the bottom of pit uncovered by black hard film in sample No. 2

圖6為4號試樣腐蝕坑邊緣黑色硬膜的SEM形貌，黑色硬膜表面平整光滑，并存在網狀裂紋。對黑色硬膜進行能譜分析，結果列于表2。由表2可見，除了基體元素Fe外，該物質含有大量的O元素與少量的S、P元素。

圖7為4號試樣腐蝕坑底部的SEM形貌，可見此處呈多孔的蜂窩狀結構。對這些蜂窩狀結構進行能譜分析，結果列于表2。結果表明，腐蝕坑底部蜂窩狀結構中除Fe元素外，還存在大量的O元素與少量的S、Al、Si、Cl元素。

1.3 金相分析

圖8為2號試樣腐蝕坑底部的顯微組織。結果表明，腐蝕坑底部的顯微組織為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，腐蝕面較為平整，未發現沿晶腐蝕現象。

圖6 4號試樣腐蝕坑邊緣黑色硬膜的SEM形貌Fig. 6 SEM morphology of black hard film at the edge of pit in sample No. 4

表2 4號試樣腐蝕坑不同區域的EDS分析結果(質量分數)
Tab. 2 EDS analysis results of different zones of pit in sample No. 4 (mass fraction) %

試樣OSFeSiPClAl黑色硬膜22.00.976.6-0.6--蜂窩狀結構9.10.788.40.4-0.21.3

圖7 4號試樣腐蝕坑底部的SEM形貌Fig. 7 SEM morphology of the bottom of pit in sample No. 4

圖9為2號試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物情況。根據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》標準規定，判定2號試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物為D類球狀氧化物2級。

圖10為4號試樣腐蝕坑底部的顯微組織，可見腐蝕面較為平整，未發現沿晶腐蝕現象，顯微組織為鐵素體+珠光體。

圖11為4號試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物情況。根據GB/T 10561-2005標準規定，判定4號試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物為A類硫化物(細系)1級，A類硫化物(粗系)1級，D類球狀氧化物(細系)0.5級。

(a) 低倍

(b) 高倍圖8 2號試樣腐蝕坑底部的顯微組織Fig. 8 Microstructure of the bottom of pit in sample No. 2: (a) at low magnification; (b) at high magnification

圖9 2號試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物Fig. 9 Nonmetallic inclusions at the bottom of pit in sample No. 2

1.4 化學成分分析

失效對流管所用材料為20號鋼。分別對失效對流管的2號試樣與4號試樣進行化學成分分析，結果如表3所示。化學成分分析結果表明，2號試樣與4號試樣的化學成分均符合GB/T 5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準中關于20號鋼管化學成分的規定。

1.5 力學性能測試

對2號試樣進行拉伸試驗，結果如表2所示。結果表明，其力學性能均符合GB/T 5310-2008標準關于20號鋼管交貨狀態的力學性能要求。

(a) 低倍

(b) 高倍圖10 4號試樣腐蝕坑底部的顯微組織Fig. 10 Microstructure of the bottom of pit in sample No.4: (a) at low magnification; (b) at high magnification

圖11 4號試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物Fig. 11 Nonmetallic inclusions at the bottom of pit in sample No. 4

2 失效原因分析

在鍋爐對流管試樣顯微組織、非金屬夾雜物、化學成分、力學性能等項目檢測中，均未發現明顯異常情況。試樣內壁缺陷處宏觀形貌顯示，內壁呈磚紅色，未發現水垢附著，缺陷形態均為單一的腐蝕坑，腐蝕范圍較大，腐蝕坑直徑達2～2.5 cm，坑內覆蓋著一層帶光澤的黑色硬膜，坑底因腐蝕嚴重而出現穿孔，呈現溶解氧腐蝕引起的潰瘍腐蝕特征。

腐蝕坑內被一層黑色硬膜覆蓋，經能譜分析，該物質含有大量的O元素與少量的P、S、Cl等元素；腐蝕坑底部未覆蓋黑色硬膜處呈多孔的蜂窩狀結構，經能譜分析，該區域含有大量的O元素與少量的S、Cl等元素。

表3 2號試樣與4號試樣的化學成分(質量分數)Tab. 3 Chemical composition of sample No. 2 and sample No. 4 (mass fraction) %

表4 2號試樣的力學性能Tab. 4 Mechanical properties of sample No. 2

氧腐蝕是鍋爐系統最為普遍、最為嚴重的一種腐蝕，在運行和停運期間均可發生[4-5],而且在一定條件下其腐蝕速率極快。綜合腐蝕坑形貌與能譜分析結果可推斷，對流管的失效模式為氧腐蝕。對流管在輸送蒸汽過程中發生的是化學腐蝕反應，化學腐蝕反應均勻且緩慢。但如果設備是間歇運行的，那么水汽冷凝后將會在管道下部滯留。此時，如果冷凝水中存在溶解氧，管道就會發生快速、不均勻的電化學腐蝕，在管道內壁形成腐蝕點，當冷凝水中存在腐蝕性離子(氯、硫酸根等)時，腐蝕點處會吸附這些離子，導致周圍鈍化膜破壞，加速電化學腐蝕，使腐蝕點變深、變大，形成潰瘍坑，最后形成貫穿性孔洞，導致蒸汽泄漏。

3 結論與建議

引起對流管泄漏的主要原因是管道在冷凝水中發生氧腐蝕穿孔，冷凝水中存在腐蝕性離子(氯、硫酸根等)時，腐蝕點處會吸附這些離子，導致周圍鈍化膜破壞，加速電化學腐蝕，導致腐蝕點變深、變大，形成潰瘍坑，最后形成貫穿性孔洞，導致蒸汽泄漏。

根據以上腐蝕原因分析，提出以下建議：

(1) 增加除氧設備或化學除氧，加強鍋爐給水的除氧工作[6]。氧是鍋爐給水系統的主要腐蝕性物質，給水系統中的氧應當迅速得到清除，否則它會腐蝕鍋爐的給水系統和部件，腐蝕產物氧化鐵會進入鍋爐內，沉積或附著在鍋爐管壁和受熱面上，形成難溶且傳熱不良的鐵垢，腐蝕產生的鐵垢會造成管道內壁的點坑和阻力系數增大。管道腐蝕嚴重時，甚至會發生管道爆炸事故。

(2) 控制腐蝕性離子，尤其是氯離子含量。

(3) 加強管理，在鍋爐停運期間采取必要保養措施[7]。