火力發電廠過熱器管晶間腐蝕原因分析及對策

羅海森

（國能江西電力有限公司，江西 南昌 330001）

晶間腐蝕是金屬局部腐蝕的一種，它沿著金屬晶粒間的分界面向內部擴展，大大降低金屬的機械強度，而且腐蝕發生后金屬和合金的表面仍會保持一定的金屬光澤，通常看不出被破壞的跡象，但晶粒間結合力顯著減弱，力學性能惡化，是一種危險極大的腐蝕，通常出現于黃銅、硬鋁合金和一些不銹鋼、鎳基合金中。在火電廠，晶間腐蝕是奧氏體不銹鋼焊縫的一個重大問題，嚴重威脅鍋爐過熱器的安全運行。

1 火電廠過熱器管晶間腐蝕的危害和分析

1.1 晶間腐蝕的產生原理

不銹鋼在腐蝕介質作用下，在晶粒之間產生的一種腐蝕現象稱為晶間腐蝕。晶間腐蝕可以分別產生在焊接接頭的熱影響區（HAZ）、焊縫或熔合線上，當溫度升高時，碳在不銹鋼晶粒內部的擴散速度大于鉻的擴散速度。室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%，而一般奧氏體不銹鋼中的含碳量均超過此值，多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如（Cr，Fe）23C6等。當晶界中鉻的質量分數低到小于12%時，就會形成所謂的“貧鉻區”[1]，在腐蝕介質作用下，貧鉻區就會失去耐腐蝕能力，從而產生晶間腐蝕。火電廠過熱器管因晶間腐蝕管材發生爆裂如圖1、圖2 所示。

圖1 過熱器晶間腐蝕管材和現場爆口

圖2 斷面內壁附近多條沿晶裂紋

1.2 火電廠過熱器管材質選擇和檢修安裝不當

近年來，我國電力工業快速發展，大容量、高參數的火電機組占比不斷提升，金屬材料也更加復雜，其中600MW~1000MW 超超臨界機組過熱器大量使用T92/P92 等鐵素體耐熱鋼和TP347H 和Super304T 等奧氏體耐熱不銹鋼[2]，部分高規格鋼材在我國火電機組應用運行時間較短，高溫金屬運行后材質劣化機理還在逐步完善和積累中。同時，部分火電機組在安裝過程中，檢修安裝工藝未按規范嚴格落實，焊前預熱和焊后熱處理控制不佳，試板表面清潔不夠引起過熱器管發生滲碳，焊接操作不當形成嚴重偏析，造成晶間腐蝕試驗、檢測不合格。導致晶間腐蝕的另一個重要原因是，熱處理的溫度和保溫時間控制不當[3]，也會產生晶間腐蝕。部分火電機組“四管”尤其是過熱器管頻繁爆破，引起機組發生非計劃停運。據不完全統計，2020 年全國火電廠發生非停中“四管”泄漏占比高達近六成，其中尤以過熱器管損傷較大，是火電機組中導致機組發生非停的主要原因。做好鍋爐過熱器管治理是防止機組非計劃停運的重要手段，也是提升機組可靠性的有效途徑。

1.3 運行控制調整不當

隨著我國電力系統的快速發展，已處于從自動化、數字化控制快速轉型升級到智能化的過程中，智能運行、智能監控、智能分析等系統應用越來越多，需要運行人員實際動手操作的環節越來越少，運行人員操作經驗積累缺少必要實踐，仍需不斷提升。同時，部分發電企業未建設適合于本企業和本機組的仿真系統，運行人員仿真培訓提升的機會相對較少，實際處理各類異常的能力偏弱，特別是在機組啟動和停止的過程中，鍋爐燃燒強度與負荷配比較正常工況復雜多變，過量、過早使用減溫水的情況仍然存在，容易導致火電機組過熱器金屬發生超溫。當機組過熱器管溫度測點未在每片屏上實現全覆蓋時，運行人員在缺少監視條件的情況下，容易在非正常工況下產生較多過熱器金屬壁溫超溫現象，嚴重影響過熱器金屬管材壽命。運行調整過程中，除鹽水的氯離子控制不當也是產生晶間腐蝕的一個重要因素，當除鹽水中含有氯離子，氯離子含量只有在小于25ppm 環境下，不銹鋼才不易發生腐蝕，但當氯離子含量大于25ppm 時，不銹鋼就會發生應力腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕。

1.4 深度高峰和頻繁啟停次數明顯偏多

近年來，光伏和風電等新能源發電機組比重將快速增加，同步儲能電站和抽水蓄能等配套項目建設相對滯后，火電機組頂峰、深度調峰已成為今后的常態，這對火電機組安全性、可靠性、靈活性都提出了更高的要求，各類金屬疲勞和蠕變速度明顯加快，導致部分火電機組承壓金屬材質壽命降低，管材更換周期縮短。受制于當前較高的煤炭燃料成本，火電企業經營狀況不佳，虧損面在個別時段達到30%~50%較高比例，企業每年生產技改和修理費用等生產性投入不足，特別是對于晶間腐蝕等類似隱性缺陷更是難于發現并處理，導致此類缺陷和事故呈多發和上漲態勢。

1.5 晶間腐蝕隱患排查深度不夠，難度較大

火電廠的常規金屬缺陷和壁厚測量等檢查、檢測工作，可以在計劃性檢修和停機中進行，并對發現的缺陷和問題及時進行治理。當過熱器管發生晶間腐蝕時，其金屬表面盡管只有輕微腐蝕，但內部已發展成網絡狀裂紋，金屬強度大大降低，因其缺陷的隱蔽性，同時受限于檢測人員的技術水平和檢測裝備配置等原因，常規檢查時難以發現晶間腐蝕，其造成過熱器管泄漏的概率較其他原因明顯偏高，需要根據過熱器的全壽命管理要求，進行專項檢測、化驗，開展定期合金元素分析、力學和金相試驗，及時排查晶間腐蝕隱患，并予以消除，確保火電機組安全。

2 過熱器管晶間腐蝕應對措施

2.1 合理選擇過熱器材質，規范焊接處理工藝

新建和改擴建機組，要根據設計和制造廠有關要求，匹配過熱器的設計溫度和壓力選擇合適的材質，特別是要降低鋼材中的含碳量，以減少或避免晶界上析出碳化物，在滿足設計要求的前提下優先選擇奧氏體-鐵素體耐熱鋼，提高材質的抗晶間腐蝕能力，保證機組安全。要強化檢修工藝管理，嚴格執行焊接作業指導書，保證焊接件表面熱處理前的清潔度，新材質必須按焊接工藝規程要求，進行同等條件試焊，提高焊接工藝和焊接水平，質量和工藝合格后方可列入正常使用。采取合適的熱處理工藝，保持合理的熱處理溫度和時間，避免和減少晶界沉淀相析出或改變晶界沉淀相類型，防止運行中突發晶間腐蝕。加強日常金屬管材的質量監督，定期進行抽樣金相、力學試驗，做好備品保管，避免材質混堆混放，備用材料按100%進行光譜、硬度檢驗，確保正常。

2.2 優化運行調整、控制

運行人員要做好操作風險辨識，開展日常事故預想，把仿真機使用作為運行人員的日常工作，利用學習班等方式經常、輪流開展仿真機培訓，不斷提升運行人員操作水平和應急處置能力。重點做好兩個階段操作調整，一是啟動和停機階段，在啟動過程中，鍋爐點火后初期嚴格控制燃燒和送風量，避免過量、過早使用減溫水，防止熱負荷過高，導致金屬壁溫短時超限，根據鍋爐啟動曲線，嚴格控制風煤數量和配比，保持穩定的燃燒速率，合理使用減溫水，避免對金屬管材造成局部溫度突變；二是機組正常運行階段，要加強運行監視，控制好爐膛出口煙溫，保持適量減溫水量，確保過熱器金屬壁溫不超限。根據爐膛清潔程度，進行定期和臨時吹灰，清除過熱器金屬上的各類積灰積焦，進行正常換熱效果，保持過熱器金屬壁溫正常。同時，在運行調整過程中，要嚴格控制除鹽水的氯離子含量，保持氯離子含量小于25ppm，加強定期化驗測量，加裝在線監測裝置，當氯離子含量異常時及時進行分析處理，確保氯離子含量不超標，避免發生晶間腐蝕。

2.3 加強定期檢查、檢測

火電機組在正常運行中，要定期查看鍋爐過熱器管泄漏報警裝置，查看鍋爐爐內檢測系統是否正常，現場監聽過熱器管聲音，特別是吹灰器附近過熱器管要重點關注，加密巡查次數，避免蒸汽吹灰器故障導致吹損過熱器管。要利用好所有停機機會，做到逢停必檢、查必查清，采用分片檢查、交叉復查、聯合抽查等形式，全面細致開展“四管”檢查。同時，要積極采取先進方法和措施，充分利用無人機、機器人和大數據做好“四管”檢查，過熱器管要做到100%外觀檢查，確認管排平整，間距均勻無脫排、亂排，管子及下彎頭無磨損、腐蝕、氧化、脹粗和鼓包。定期對部分高溫過熱器管段、異種鋼接頭進行抽樣分析檢測，及時發現并治理好過熱器管的晶間腐蝕。要積極采用組織交流會、培訓班等方式加強交流學習，共享經驗教訓，開展過熱器間焊接培訓和勞動競賽，不斷提升檢修、檢測人員技術水平。

2.4 合理安排檢修技改，規范全壽命管理

建立健全安全生產責任制，充分發揮專業人員積極性和主動性，制定管理考核辦法，做到責任到人、任務到人。對火電機組所有承壓部件都應建立全壽命管理臺賬，結合本機組空氣動力場試驗和溫度空間的分布情況，加強高負荷、高溫度過熱器管等定期監測，對所有過熱器管屏加裝金屬壁溫測點，建立“四管”壁溫預警系統，對過熱器、再熱器等金屬壁溫實行動態管理。合理安排機組計劃性檢修，嚴格執行金屬技術監督要求，利用大、小修機會，集中對部分管段進行分析、檢測，對部分劣化管材進行合理更換和補充，更換的合金鋼和不繡鋼管材必須進行100%光譜復檢，所有高壓焊口必須經100%無損探傷檢查合格。適時進行管材升級，嚴格控制管材質量，堅決避免不合格或存在缺陷的管材用于正常生產過程。

2.5 積極開發建設源網荷儲和綜合能源服務

要根據光伏和風電等新能源建設進度，研究推進儲能、氫能、抽水蓄能、分布式能源等項目，大力開發拓展火電機組供熱市場，擴大供熱能力，保持火電機組運行平穩，減緩火電機組過熱金屬應力和溫度變動，提升應對過熱器晶間腐蝕的能力。針對電力市場“兩個細則”和輔助服務市場，開展火電機組性能優化綜合試驗，積極推進火電機組靈活性改造，提升智慧運營能力，合理降低最低接帶負荷能力，適應火電機組頂峰、深度調峰的變化，保持機組長周期安全穩定運行。

3 結束語

火電廠過熱器安全是電廠長期穩定運行的重要保障。本文詳細地介紹了火電廠過熱器管晶間腐蝕的原理、危害、應對措施，希望能對火電廠的過熱器管晶間腐蝕分析、處理和預防有所助益，為更安全、更高效、更清潔的新型火電機組“四管”管理提供寶貴經驗。