摘 要:采用宏觀觀察、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法對某鍋爐水冷壁 爆管原因進行分析。結(jié)果表明:爆口附近存在腐蝕減薄,管壁向火面結(jié)垢量較大,垢層底部有槽型 腐蝕坑,金屬基體發(fā)生嚴重脫碳,并伴有裂紋;結(jié)合實際運行狀況,認為爆管的主要原因是凝汽器泄 漏,導致不合格循環(huán)水進入鍋爐水中,同時加藥方式不當及定期排污不合理,造成水冷壁向火面內(nèi) 表面發(fā)生嚴重的垢下堿性腐蝕。最后提出一系列改進措施,以避免該類事故再次發(fā)生。
關鍵詞:水冷壁;腐蝕結(jié)垢;裂紋;泄漏;爆管
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)04-0019-04
水冷壁管是鍋爐的主要受壓元件之一,長期處 于高壓水汽和高溫煙氣環(huán)境中,極易發(fā)生爆管泄漏 事故[1]。鍋爐水冷壁腐蝕爆管是一個復雜的過程, 與爐膛溫度、燃料種類、煙氣成分等因素有關,不同 因素形成的腐蝕行為也存在差異[2-3],如:燃料中硫、 磷元素含量較高,燃燒不充分,易引起硫腐蝕、高溫 氧腐蝕等[4-5];爐水的pH 較低、磷酸鹽含量超標,易 引起酸腐蝕[6];爐水的pH 較高,堿性物含量高,易 引起管壁堿性腐蝕等[7]。
某發(fā)電廠鍋爐水冷壁發(fā)生爆管,為保障機組的安全 運行,筆者采用一系列理化檢驗方法對其爆管原因進行 分析,并提出改進措施,以防止該類事故再次發(fā)生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對爆裂的水冷壁管進行割管取樣,其宏觀形貌 如圖1所示。爆口位于向火面,呈不規(guī)則“窗口”狀, 直徑約為6mm。爆管表面粗糙,未見明顯塑性變 形,爆口邊緣呈溝壑和凹坑狀,爆口附近還有一條長 約15mm的裂縫,整個爆口處腐蝕減薄明顯,實測 壁厚為1.2~1.6mm。管內(nèi)壁向火面表面存在一條 規(guī)格(長×寬)為90mm×40mm的槽型腐蝕坑,腐 蝕坑表面覆蓋有紅褐色和白色腐蝕產(chǎn)物,腐蝕產(chǎn)物 較疏松,敲擊后產(chǎn)物成片脫落,脫落后基體底部呈多個小腐蝕坑相連的形貌。背火面內(nèi)壁較光滑,未見 明顯腐蝕凹坑,壁厚無明顯變化。
1.2 金相檢驗
在水冷壁管爆口處取樣,并進行金相檢驗,結(jié)果 如圖2所示。由圖2可知:爆口向火面可見由內(nèi)壁 向外壁擴展的裂紋,裂紋沿晶擴展,近裂紋端可見大 量圓形或長條形孔洞,可見次生晶間裂紋,部分微裂 紋擴展后連接成宏觀裂紋;向火面內(nèi)壁的顯微組織 為鐵素體+少量珠光體,珠光體已經(jīng)失去原有形態(tài), 有明顯的脫碳現(xiàn)象,晶界存在大量微裂紋,碳化物在 晶界上聚集,部分晶界已經(jīng)消失。在向火面內(nèi)壁形 成了厚度約為0.4mm的腐蝕產(chǎn)物層。
1.3 力學性能測試
在爆管向火面和背火面取樣,制備成寬度為 10mm的條 狀 試 樣,進 行 力 學 性 能 測 試。按 照 GB/T228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分: 室溫試驗方法》,采用電子拉伸試驗機進行拉伸試 驗;制作尺寸為3.3mm×10mm×55mm(長×寬 ×高)的夏比 V型缺口試樣,按照 GB/T229—2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行沖擊試驗,結(jié)果如表1所示。試樣的抗拉強度、屈服強度均滿 足ASMESA-210/SA-210M 《鍋爐和過熱器用無縫 中碳鋼管》標準要求,試樣向火面的力學性能略低于 背火面。
1.4 掃描電鏡及能譜分析
采用 Quanta400HV 型掃描電鏡(SEM)對爆 口進行分析,爆口內(nèi)壁微觀形貌如圖3所示,內(nèi)壁附 近覆蓋一層顆粒狀結(jié)晶物,局部可見白色塊狀沉積 鹽。腐蝕產(chǎn)物層較疏松,可見孔洞及裂紋,存在脫落 開裂現(xiàn)象,腐蝕產(chǎn)物脫落后,基體可見條狀裂紋。
對位置1處的腐蝕產(chǎn)物層表面白色沉積鹽區(qū)、 位置2處的腐蝕坑區(qū)進行能譜分析,結(jié)果如圖4所 示。由圖4可以看出:位置1處含有Ca、P、O 等元 素;位置2處含有 Fe、O、S等元素,同時含有 Ca、 Mg、Na等元素。在內(nèi)壁取腐蝕坑處的白色水垢進 行 X 射 線 衍 射 分 析,發(fā) 現(xiàn) 腐 蝕 產(chǎn) 物 層 主 要 為 Fe3O4、Fe2O3、Al2O3、SiO2 等的組成物,確認該白 色沉積鹽為羥基磷灰石[8]。
2 綜合分析
2.1 爆管原因分析
水冷壁腐蝕原因主要有酸腐蝕、堿腐蝕和水蒸 氣腐蝕[9]。水蒸氣腐蝕通常會使管道發(fā)生爆口內(nèi)、 外壁珠光體球化,材料力學性能下降的現(xiàn)象[10]。酸 腐蝕通常會使管子向火面發(fā)生均勻減薄現(xiàn)象,表面 無腐蝕坑,材料的強度和韌性顯著下降[11]。從水冷 壁腐蝕形貌、力學性能可以看出,爆管發(fā)生在內(nèi)壁向 火面,呈“窗口”狀,未見明顯的塑性變形,材料力學 性能也滿足標準要求。一般根據(jù)斷口的形貌及其他 特征來判斷斷裂的形式。向火面內(nèi)壁出現(xiàn)局部腐蝕 減薄,形成深度約為0.4mm 的腐蝕產(chǎn)物層,并有槽 型腐蝕坑,能譜分析結(jié)果顯示:腐蝕產(chǎn)物白色積鹽區(qū)為羥基磷灰石成分,腐蝕坑底部包括Ca、Mg、Na等 金屬元素,具有明顯堿性腐蝕特征;近爆口向火面內(nèi) 壁珠光體量減少,珠光體晶界有明顯裂紋和脫碳 現(xiàn)象。
對檢驗結(jié)果進行分析和歸納后認為:水冷壁爆 管的主要原因是水冷壁向火面內(nèi)壁附著有大量腐蝕 產(chǎn)物,使 水 冷 壁 發(fā) 生 垢 下 堿 性 腐 蝕,爐 水 中 的 NaOH 在 高 溫 環(huán) 境 下 腐 蝕 內(nèi) 表 面,產(chǎn) 生 疏 松 狀 Fe3O4,管壁局部不斷減薄,同時析氫反應生成的氫 原子聚集在晶粒邊界處,與珠光體中的滲碳體發(fā)生 反應,使晶界擴展和晶粒分離,最終發(fā)生爆管[12]。
2.2 腐蝕機理和成因分析
機組正常運行時,鍋爐水冷壁管內(nèi)形成Fe2O3 保護膜,能有效抑制金屬基體的高溫腐蝕[13]。當鍋 爐水質(zhì)不符合條件,即爐水pH 升高,堿性化合物較 多時,爐水中游離的堿滲入向火面管壁,在熱負荷和 沉積物的影響下,沉積物下的爐水發(fā)生高度濃縮,濃 縮態(tài)的 NaOH 破壞管壁的磁性氧化鐵保護膜,并發(fā) 生反應。
受濃縮溶液腐蝕的管壁形成凹凸不平的腐蝕 坑,不穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物層在高溫作用下生成氫氧化 鈉和氫氣[14],當反應劇烈時,大量的氫原子向金屬 基體內(nèi)部滲透,與滲碳體結(jié)合,致使珠光體表面層脫 碳,沿晶界形成微裂紋。
水冷壁受腐蝕管道內(nèi)壁發(fā)生脫碳現(xiàn)象,金屬變 脆,在高溫和高壓下,微裂紋不斷擴展,使管道最終 發(fā)生爆裂。
2.3 堿性腐蝕分析
堿性腐蝕與爐水pH 過高和局部形成濃縮環(huán)境 有關[15]。引起爐水中pH 升高的主要原因是爐水 中存在游離的 NaOH [16]。該鍋爐補給水經(jīng)過二級 除鹽處理,水質(zhì)一直穩(wěn)定,符合國家標準;僅在啟動 初期,在鍋爐中加入磷酸三鈉和堿化劑進行水質(zhì)調(diào) 節(jié);正常運行下采用氨-聯(lián)氨加藥法調(diào)節(jié)爐水的pH, 運行時水質(zhì)有超標記錄,爐水pH 最高達到10.56, 可見配藥調(diào)整對爐水的pH 有一定影響。該機組近 5a來凝汽器泄漏事故時有發(fā)生,查閱水汽檢查記錄 和爐水統(tǒng)計結(jié)果可知,在發(fā)生爆管事故的一個月內(nèi), 鍋爐水 pH 為 9.3~10.5,凝結(jié)水電導率最高為 22.4μs/cm,平均電導率為4.32μs/cm,各指標均高 于GB/T12145—2016《火力發(fā)電機組及蒸汽動力 設備水汽質(zhì)量》要求?？梢?該鍋爐水冷壁堿性腐蝕 與凝汽器泄漏有關。
由于凝汽器泄漏,循環(huán)水攜帶高含量游離堿和 碳酸氫鹽進入到凝結(jié)水中,污染凝結(jié)水。不穩(wěn)定的 碳酸氫鹽在高溫爐水的條件下分解生成 NaOH 和 Ca3(PO4)2,正常情況下,凝汽器循環(huán)水中漏入的 鈣、鎂堿性離子可依靠爐內(nèi)加入的磷酸鹽反應生成 水渣,并通過連續(xù)排污和定期排污去除,防止水冷壁 結(jié)垢。調(diào)查發(fā)現(xiàn),鍋爐運行人員沒有嚴格執(zhí)行連續(xù) 排污和定期排污,導致生成的Ca3(PO4)2 在水冷壁 上附著結(jié)垢,形成局部濃酸環(huán)境,加劇了堿腐蝕,最 終發(fā)生水冷壁爆管。
3 結(jié)語與建議
綜合分析認為,垢下堿性腐蝕是導致該鍋爐水冷 壁爆管的主要原因。由于機組凝汽器泄漏,定期排污 不合理,加藥方式不當,因此爐水內(nèi)的游離氫氧化鈉 偏高,在水冷壁向火面內(nèi)部積累磷酸鈣沉積物,這些 沉積物表面吸收并存儲大量水分,在垢下局部出現(xiàn)了 高濃縮游離堿,形成槽型腐蝕坑。在高溫作用下,游 離堿進一步濃縮到一定值時,腐蝕速率加快,并析出 大量氫原子,氫原子與珠光體中的碳原子反應,導致 水冷壁管道內(nèi)壁局部脫碳,管道在高溫熱應力的綜合 作用下產(chǎn)生裂縫,裂紋不斷擴展,導致管道發(fā)生爆裂。
為避免類似爆管事故再次發(fā)生,確保鍋爐的安 全運行,建議采取以下改進措施。
(1)加強水汽品質(zhì)監(jiān)測,嚴格控制鍋爐補給水 和凝結(jié)水的硬度、電導率、碳酸鹽等指標,一旦水汽 品質(zhì)惡化,執(zhí)行水汽三級處理原則,避免蒸汽品質(zhì)不 良,污染汽輪機。
(2)加強電廠的運行監(jiān)督,嚴格執(zhí)行鍋爐定期 排污工作,保證水冷壁的汽水通暢,對鍋爐本體進行 化學清洗,避免游離堿發(fā)生濃縮。檢修期間對熱負 荷較高、汽水循環(huán)不良區(qū)域的水冷壁進行無損檢測, 更換異常的水冷壁管。
(3)定期對凝汽器進行泄漏排查?？衫媚z球 清洗裝置加木屑堵漏方式,嚴重時對凝汽器進行半 面隔絕方式查漏,極端情況下需申請停機處理。
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