生水加熱器泄漏原因分析及預防措施

任兵兵 張建兵 魏 然 常慶東 王 斌

（1.國家能源集團科學技術研究院有限公司銀川分公司 銀川 750011）

（2.寧夏英力特化工股份有限公司熱電分公司 石嘴山 753600）

生水加熱器是一種管線式噴射式加熱器設備，用于蒸汽和水混合加熱，屬于電廠化學水處理用設備，主要是確保水系統中反滲透裝置在冬季滿負荷出力時水溫的要求，以提高水處理效果。實際生產運行過程中往往不受重視，冬季一旦發生泄漏停用，將導致水處理系統不能正常工作，給電廠帶來嚴重的經濟損失。因此，針對生水加熱器在長期服役過程中發生泄漏進行原因分析及預防是保證電廠安全生產的重要保障。

1 設備概述

該公司生水加熱器屬于噴射式混合生水加熱器，內置有噴射裝置的內套筒，是一種通過汽、水兩相流的混合來加熱生水的設備[1]。主要熱源為輔汽，供水來源為黃河水。生水加熱器主要技術參數為：設計壓力汽側1.4 MPa、水側1.0 MPa，設計溫度汽側380 ℃、水側30 ℃，介質為過熱蒸汽、水，規格φ816 mm×8 mm，材質16MnR，日常運行中水溫5～25 ℃左右，入口蒸汽溫度340～370 ℃，工作壓力汽側0.3～1.3 MPa、水側0.4 MPa，該容器于2006年7月投入使用。

2 檢測分析

2.1 外觀及解體檢查

停機后對加熱器筒體外表面檢查，筒體上部距離安全閥管座進水側200 mm 處，可見1 條長約25 mm與筒體軸線約45°走向裂紋，泄漏位置附近未見其他缺陷，見圖1；容器解列打開檢查，內表面泄漏位置有1 條清晰可見的約40 mm 的長裂紋，見圖2，內壁裂紋長于外壁裂紋15 mm，裂紋周圍筒體母材大面積存在麻點、蜂窩狀的凹坑，見圖3，容器內部銹蝕較嚴重，局部呈潰瘍狀，底部有沉積物，且沿水側擋板脫焊處有1 條溝槽，內套筒也已脫開，噴射裝置的噴孔大部分堵塞，見圖4。宏觀檢查結果表明，加熱器筒體開裂泄漏起始于內壁，且內壁具有腐蝕、汽蝕損壞特征。

圖2 內壁裂紋

圖3 筒體內壁麻點及蜂窩狀凹坑外貌

圖4 噴射裝置上噴孔堵塞

2.2 壁厚測量及強度計算

●2.2.1 壁厚測量

使用超聲波測厚儀對裂紋附近筒體母材進行壁厚測量，發現在靠近汽水分割線擋板筒體上部位置壁厚有不同程度的減薄，減薄區域大致以筒體上部軸線為界分為A 區域和B 區域，如圖5所示，越靠近正上部軸線位置減薄量越大，實測泄漏位置剩余壁厚為4.0 mm，遠低于公稱壁厚（8.0 mm）。

圖5 生水加熱器減薄區域示意圖

●2.2.2 強度計算

此生水加熱器設計制造資料缺少容器的強度計算書，查閱圖紙及工作參數、腐蝕余量、參照GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3 部分：設計》對容器筒體進行了強度計算校核[2]，計算過程見式（1）、式（2）：

式中：

δ——筒體最高工作壓力、工作溫度下計算厚度，mm；

Pc——計算壓力，MPa；

Di——圓筒或球殼的內直徑，mm；

[σ]t——設計溫度下圓筒和球殼材料的許用應力，MPa；

φ——焊接接頭系數；

δe——圓筒和球殼的有效厚度，mm；

[pw]——筒體實測剩余壁厚下所能承受的最高壓力，MPa。

計算結果證明，泄漏位置剩余壁厚4.0 mm 小于計算厚度4.53 mm，不能滿足在最高工作壓力下正常運行，分析筒體局部開裂與強度不足有關。

2.3 無損檢測

對泄漏部位附近1 000 mm 范圍容器筒體內、外壁表面進行磁粉和超聲波檢測，除泄漏位置有壁厚減薄情況外，其他所檢測部位未見其他超標缺陷及異常。

2.4 化學成分分析

圖紙中容器的設計材質為16 MnR，對筒體母材取樣進行化學成分分析，采用ARL4460 直讀式光譜儀進行成分分析，檢測結果S 元素在成品分析允許偏差0.005%范圍內[3]，其他檢測結果均符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中Q345R(2008 版標準，16MnR 并入Q345R）的要求[4]。筒體化學成分分析結果見表1。

表1 容器筒體化學成分分析結果 %

2.5 金相檢測

采用4%硝酸酒精對裂紋及附近母材進行浸蝕后，使用蔡司Axio Observer.A1m 對裂紋部位及其附近的微觀組織進行觀察，發現晶界較模糊，裂紋具有穿晶開裂特征，裂紋寬度由內壁向外壁逐漸變細變窄，證明裂紋由筒體內壁向外壁擴展至裂穿，見圖6、圖7；金相組織為鐵素體和珠光體[5]，球化等級2.5 級，見圖8，金相組織未見異常，表明筒體內壁無超溫情況。對裂紋部位取樣經磨拋腐蝕后進行宏觀分析，使用蔡司Stemi 508 立體顯微鏡進行低倍觀察，發現容器內壁有多處凹坑，泄漏位置位于壁厚較薄處凹坑內，內壁凹坑均存在不規則缺口情況，見圖9。

圖6 顯微鏡下裂紋貫穿外貌

圖8 母材金相組織

3 原因分析

3.1 腐蝕原因

查閱資料，日常運行中及停運容器均沒有采取適當的保護措施，給水不除氧，運行的水中存在溶解氧，金屬鐵和氧形成2 個電極，組成腐蝕電池，氧作為去極化劑發生還原反應，易造成金屬氧腐蝕。在設備停運時，容器內的水雖然放掉了，但因閥門關閉不嚴等因素，也會有少量蒸汽進入容器，隨著壓力、溫度的降低，蒸汽凝結成水或水膜；空氣從不嚴密處大量滲入分散各處，空氣中的氧進入水中溶解，再次形成氧腐蝕，也就是所謂的電化學腐蝕[6]。經了解，生水加熱器運行及反滲透裝置溫度需要，存在夏季投運頻次低或停運等現象，隨著容器交替運行和長時間停運，氧腐蝕越來越嚴重，是造成內部結構損壞的原因之一。

另外，生水加熱器原水為黃河水，設備長期運行過程中，水中的雜質、微生物、泥沙會在容器內沉積，蒸汽中的鹽類析出在筒壁、噴孔處沉積，發生了垢下腐蝕，長時間運行下造成噴孔大面積堵塞，嚴重破壞了容器內部汽水換熱過程，加劇了腐蝕帶來的破壞，綜合作用下導致內部套筒、汽水擋板脫開結構損壞。

3.2 汽蝕的形成及損傷

日常運行中由于積鹽、結垢、腐蝕等原因內套筒噴孔堵塞后，生水的混合換熱轉換為表面換熱，蒸汽在筒體內壁液化形成汽液兩相流，沖蝕汽水分隔擋板，加之日常及停用時的氧腐蝕不斷加劇，促使汽水分隔擋板與噴射裝置連接部位出現開裂，水從裂縫處出來發生汽化，汽化過程中產生氣泡，氣泡向內壁上部汽水空間移動，當蒸汽壓力急劇變化時，氣泡破裂，隨著熱交換的加劇，氣泡的產生、破裂重復出現，對容器組件產生沖擊甚至引起振動，進而引起筒壁的局部損傷和開裂，通常把氣泡的形成和破裂使材料受到損壞的過程，稱為汽蝕現象[7]。從壁厚測量結果和位置可以發現，筒體壁厚減薄部位集中在汽水分割擋板的筒體上部位置附近，由此可以判斷造成筒體壁厚減薄的主要原因是汽蝕損傷。

3.3 應力分析

生水加熱器殼壁較薄，自身只承受拉應力和壓應力，也就是所謂的薄膜應力，但運行工況下將會產生較大的內壓作用，使圓筒向外膨脹受到周向及環向應力，隨著汽蝕造成的沖擊與震動，內應力加劇。生水加熱器還存在負荷變化和斷續運行的不穩定性，使得溫度不斷變化，而容器本身又受到其他部分及相鄰物體的牽制約束而不能自由的熱脹冷縮，則會在容器內部產生溫度應力，多種應力的存在為微裂紋的萌生創造了條件。

3.4 裂紋形成機理

容器自身及運行過程中會承受多種應力，當附加較小的拉應力時，在缺口微區就會產生滑移臺階，由于滑移臺階破壞了表面的保護膜，在滑移臺階附近的滑移帶中，堆積了大量的位錯，甚至可能伴隨有微孔洞、孔洞，隨著滑移臺階附近的金屬活性化，加速了化學溶解過程，并成為電化學腐蝕的陽極，而保護膜未被破裂區為大陰極，這種應力腐蝕開裂可以解釋為機械-電化學反應腐蝕理論[8]。結合圖6、圖9，可以判斷裂紋起源于內壁凹坑根部缺口位置，由于長時間電化學腐蝕作用、受力及材料組織結構變化，在晶界、相界、大量位錯塞積處形成微裂紋，因微裂紋的聚合產生可見微孔洞，以后孔洞長大、增殖，最后連接形成穿晶斷裂。

圖9 筒體泄漏端面內壁凹坑外貌

3.5 綜合分析

由于生水加熱器運行及停運期間未采取相關措施導致容器內部出現了嚴重的氧腐蝕，隨著腐蝕發生及水中的雜質、微生物、泥沙大量的沉積，內套筒噴孔被大面積堵塞，造成汽水換熱過程由套筒內變為套筒外，正常的汽水換熱過程遭到了破壞，在汽液兩相區形成了汽蝕現象，長時間的內部腐蝕伴隨汽蝕損傷，造成母材內壁存在大面積凹坑，筒體壁厚嚴重減薄，在凹坑較嚴重的缺口位置達到極限值，在腐蝕、汽蝕、應力等綜合因素下，筒體最終因強度不足發生開裂泄漏。

4 預防措施及建議

4.1 停爐保養

生水加熱器屬于化學原水處理的附屬設備，實際生產過程中此類設備往往不受重視，日常維護保養流于形式，致使設備內部腐蝕嚴重不能及時被發現并消除，也是設備腐蝕失效損壞的原因之一，應注重停爐保養，具體可通過對進口、出口管道法蘭加裝堵板，徹底防止蒸汽和水進入內部；其次，利用吹掃等方式處理容器內存水；最后，打開人孔門通風直至內壁徹底干燥，可有效杜絕發生氧腐蝕。

4.2 改善水pH 值

從水源方面保證水介質較純凈無雜物，通過加藥水處理，調整水系統水pH 值處于鈍化區9～12，可使金屬表面形成一層穩定的保護膜，造成陽極鈍化，從而大大降低氧腐蝕速度[9]。

4.3 加強設備過程檢驗

依據TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》[10]規定，生水加熱器應定期進行月度、年度自行檢查，但月度、年度檢查僅限于安全管理情況、容器本體及運行狀況、安全附件及儀表檢查，不使用儀器難以發現筒體壁厚減薄情況，應重視停運檢查及定期檢驗。具體如下：停運期間，可通過打開人孔門或內窺鏡等檢查方式了解內壁腐蝕及損傷情況；定期檢驗中，利用超聲波測厚儀、內窺鏡針對性地擴大結構突變、空腔、液位波動及易腐蝕部位檢測數量和范圍，及時發現壁厚異常情況；年度檢查也可不限于現行標準中的檢查方式，可應用其他新技術，如脈沖渦流不停機檢測，實時了解分析設備的腐蝕減薄情況。通過認真落實以上檢驗檢測手段并做好針對性預防及處理，可有效避免泄漏事故發生。

5 結束語

泄漏是換熱類設備常見的失效形式，最終呈現的方式表現為在綜合應力作用下因壁厚強度不足發生開裂。針對此類生水加熱設備，應從保證進水的品質、停用爐期間維護保養等方面有效開展日常管理工作，以減少腐蝕帶來的結構破壞。另外，加強檢驗檢測和新技術的應用，以期及時發現安全隱患。換熱類設備由于結構和運行特點，僅僅考慮和解決了蒸汽加入的問題，沒有相應的技術去解決運行過程中普遍存在的振動、水擊、堵塞等問題，也將增加和助推該類容器泄漏的風險。