余熱鍋爐低壓蒸發器爆管金屬材料分析

朱恩澤

摘要：江蘇華電儀征熱電有限公司燃氣-蒸汽聯合循環機組余熱鍋爐低壓蒸發器模塊多次發生泄漏，嚴重威脅機組安全運行。本文通過研究低壓蒸發器管道金屬選材問題，分析其腐蝕機理，解決金屬腐蝕問題，并提出有效防護措施，提高機組運行可靠性。

關鍵詞：余熱鍋爐、低壓蒸發器爆管、材質、腐蝕

江蘇華電儀征熱電有限公司聯共有三臺西門子SGT5-2000E燃機，余熱鍋爐為東方菱日雙壓、無補燃、臥式、自然循環鍋爐。鍋爐由高、低壓兩個壓力等級系統組成，高壓過熱蒸汽額定出口壓力7.95MPa，額定出口溫度523.4℃;低壓過熱蒸汽額定出口壓力O.63MPa、額定出口溫度225.7℃。低壓蒸發器工作參數為：工作壓力0.67MPa，工作溫度167℃。低壓蒸發器上聯箱管座、集箱、出口連通管及管座所用材料為20G碳鋼。至今機組運行2000天，余熱鍋爐多次發生低壓蒸發器管子內壁侵蝕減薄直至爆管的問題，嚴重影響機組的安全運行。

一、設備情況介紹

儀征熱電余熱鍋爐低壓蒸發器前后方向共有5組管屏，每組左右各有一個聯箱，前后方向共有14排管，每排80根管路，左右管屏各40根。低壓蒸發器集箱管接頭材質為20G碳鋼管材，規格為Φ38×4.5;受熱面管子材質為20G碳鋼管材，規格為Φ38×2.8。低壓蒸發器正常工況為0.67Mpa、167℃。

2018年3月21日，儀征熱電余熱鍋爐發生泄漏，經停爐后檢查，確認是低壓蒸發器管路爆管造成泄漏。事故發生后，相關人員對低壓蒸發器泄漏情況進行了詳細會診。

余熱鍋爐低壓蒸發器管子的口徑為4.5mm，在低壓蒸發器模塊，一般壁厚磨損超過30%即為泄漏危險點，也就是說管束壁厚不能低于3.15mm，其中1-2即為此次事故泄漏點，第一排管路泄漏危險點較多，泄漏管子也集中在第一排。

二、低壓蒸發器泄漏的金屬選材方面的原因分析

儀征熱電余熱鍋爐低壓蒸發器管路所選鋼材為20G碳鋼，20G鋼管是GB/5310國標鋼號（國外對應牌號：德國st45.8、日本STB42、美國SA106B），為最常用鍋爐鋼管用鋼。該鋼有一定常溫和中高溫強度，含碳量較低，有較佳塑性和韌性，其冷熱成型和焊接性能良好。但對于儀征熱電低壓蒸發器的實際情況而言，由于熱應力、爐水PH值不穩定、低壓蒸發器過熱、流動加速腐蝕（FAC）等原因，其低壓蒸發器20G碳鋼管路經常出現泄漏事故，具體分析如下。

2.1管路金屬疲勞原因分析

儀征熱電廠機組為調峰機組，因此啟停機頻繁，運行狀態下在省調要求下也要調節機組功率，故機組的工況在運行時變化頻繁，這種情況對余熱鍋爐會產生影響。由于頻繁啟停機，余熱鍋爐工質、受熱面和金屬管材溫度變化較大，這就為產生熱應力提供了條件。熱應力是指由于金屬受熱不均，而金屬原件由于受到外部約束，如焊接，套裝，隔板隔擋等，從而導致各個部位膨脹不均勻而產生的應力。當溫度變化時，如果金屬內各點的溫度變化是均勻的，并且其變形不受約束，既可以自由膨脹或收縮，則金屬只存在熱變形，而不產生熱應力。如果物體膨脹受到約束，則物體內將產生壓應力;如金屬冷卻收縮受到約束，則物體內將產生拉應力。當金屬加熱或冷卻不均勻，溫度分布不均勻時，金屬即使不受到外部約束，其內部也會產生熱應力，高溫區產生壓應力，低溫區產生拉應力。儀征熱電余熱鍋爐低壓蒸發器除機組起停頻繁的影響外，還存在過熱運行現象，更加劇了熱應力的影響，這種熱應力會對金屬產生疲勞效應，金屬會發生蠕變，加速管路的損壞。

2.2低壓蒸發器的過熱問題

儀征熱電余熱鍋爐受熱面管組為密排鰭片管，其管組與煙道墻之間間隙較大，導致兩側墻存在旁通煙氣走廊;管組與管組之間未設置煙氣擋板，也會形成煙氣走廊;此外還發現煙道上下由于煙氣擋板安裝不當，所以我們認為此處密封方式存在設計問題，這樣不可避免存在較多縫隙，煙氣容易繞流加大旁通煙氣量。

煙氣走廊的存在會導致集箱兩端的管路吸熱量顯著增加，造成這部分管路內介質溫度明顯升高，管束處于偏離設計參數運行，當臨近出口的介質溫度超過介質運行壓力下的飽和溫度時，就會發生汽化，體積快速膨脹，介質流速顯著增加，介質流速與壁厚減薄率成正比。產生汽化更會形成汽蝕，當汽水快速通過彎頭時，對彎頭背弧側形成嚴重沖刷，造成腐蝕。

在此工況下就要求管路鋼材具有較高的持久強度，較高的抗氧化腐蝕性能，并有良好的組織穩定性。管材抗腐蝕性和強度不夠也是造成低壓蒸發器管路泄漏的原因。

2.3爐水PH值與流動加速腐蝕（FAC）對管路的影響

FAC是一個化學反應過程，是氧化膜與水界面產生可溶解的亞鐵離子不斷隨介質擴散的過程，其過程可分為三個同時發生的化學反應（圖4）。

儀征熱電余熱鍋爐低壓蒸發器設計工況為壓力0.67MPa，溫度167℃。此工況是流動加速腐蝕的頻發區段。流動加速腐蝕（FAC）多見于流動介質體系中的紊流區域，如管道彎頭、三通以及異徑管連接處發生的加速性腐蝕。167℃相對應的壁面減薄率已接近2mm*a-1，嚴重危及管路運行安全。

在鍋爐運行中，爐水PH值是一個非常重要的因素，pH值低時，水對鍋爐鋼材的腐蝕性增強，并且爐水中的磷酸根與鈣離子的反應，只有在pH值足夠高的條件下才能生成容易排污的水渣;為了抑制爐水中硅酸鹽的水解，減少硅酸在蒸汽中的溶解攜帶量，pH值也應控制得高一些。但是爐水的pH值也不能太高，否則，游離氫氧根離子較多，容易引起堿性腐蝕。同時PH值對流動加速腐蝕也有很大影響，在爐水pH值大于9.4時腐蝕曲線較為平緩，低于9.4時腐蝕速率陡然增加，所以適當提高爐水pH值是減緩腐蝕、防止爆管的有效方法。

四、改進措施

1、余熱鍋爐低壓蒸發器模塊上聯箱管座、集箱、出口連通管及管座管材更換為12CrMoV合金鋼，增強管路尤其是彎頭部分的抗沖刷腐蝕性，以改善管材金屬腐蝕情況。

2、更換新的煙氣擋板，并對其進行改造，加長煙氣阻隔板減小縫隙，消除煙氣走廊現象，使低壓蒸發器不再過熱運行。

3、強化運行管理。燃機鍋爐在運行時，應嚴格遵循《運行規程》要求，鍋爐運行時必須均勻不斷地送水，保持鍋爐水位在規定的水位;運行中應注意控制低壓系統流量，注意將鍋爐壓力維持于正常汽壓，正常情況下，鍋爐壓力高低偏差不大于±0.05MPa。

五、結論

相對于20G鋼，12CrMoV合金鋼是一種珠光體型耐熱鋼，在高溫長期使用時具有高的組織穩定性和熱強性，熱處理時過熱敏感性低，無回火脆性傾向;鋼在冷變形時塑性高。綜上所述，對于低壓蒸發器模塊而言，其上聯箱管座、集箱、出口連通管及管座管材應由20G碳鋼更換為硬度，強度，抗熱應力性能更為良好的12CrMoV合金鋼，經過技改后鍋爐運行良好，可解決腐蝕甚至爆管問題。

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