某熱電廠鍋爐內(nèi)20G省煤器管子泄漏事故分析

趙林松，李 明，趙彥芬，王 偉

（1.中廣核檢測技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

某熱電廠鍋爐內(nèi)20G省煤器管子泄漏事故分析

趙林松1，李 明1，趙彥芬2，王 偉2

（1.中廣核檢測技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

通過化學(xué)成分分析、硬度實(shí)驗(yàn)、金相組織檢驗(yàn)、體視金相觀察、X射線衍射分析等方法，分析了某電廠鍋爐內(nèi)省煤器管子泄漏的原因，并提出了防止低溫腐蝕的幾點(diǎn)建議。該省煤器管子發(fā)生泄漏是由于硫的低溫腐蝕，即硫酸露點(diǎn)腐蝕使管子不斷減薄并洞穿而導(dǎo)致的。

20G鋼；省煤器；泄漏；硫酸露點(diǎn)腐蝕

某熱電廠鍋爐內(nèi)省煤器管子材質(zhì)為20G，規(guī)格為Φ32×3 mm；省煤器出口介質(zhì)溫度為240 ℃。該省煤器管子于2001年11月投入運(yùn)行，2005年9月檢修中發(fā)現(xiàn)有1根管子洞穿泄漏，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約2.2萬h。該泄漏管子附近管排管子外觀良好，未見明顯管壁減薄現(xiàn)象。

為查明該管子泄漏的原因，對該管段進(jìn)行了宏觀檢查、管子尺寸實(shí)測、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相組織檢驗(yàn)、管子外壁垢層形貌及結(jié)構(gòu)分析、20G材料特征研究以及綜合失效原因分析等試驗(yàn)、分析工作。

1 失效管子宏觀特征及尺寸實(shí)測

圖1為該省煤器泄漏管子的宏觀形貌，泄漏點(diǎn)邊緣明顯減薄，但周邊無沖刷磨損痕跡，內(nèi)、外壁無明顯氧化層；泄漏點(diǎn)減薄方向?yàn)橛赏獗谙騼?nèi)壁減薄并洞穿。遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)處管子實(shí)測尺寸為Φ32.4×3.02 mm，與管子公稱規(guī)格（Φ32×3 mm）相當(dāng)，未發(fā)生減薄。

圖1 省煤器失效管子的宏觀形貌

2 化學(xué)成分分析

對該省煤器管子進(jìn)行了化學(xué)成分分析，分析結(jié)果列于表1中。結(jié)果表明，該省煤器管子成分符合GB5310-95標(biāo)準(zhǔn)對20G鋼的成分要求。

表1 省煤器管金屬化學(xué)成分分析試驗(yàn)結(jié)果%

3 硬度測試

硬度是表征金屬材料相對的軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)，硬度測試可有效反映金屬材料性能有無劣化。布氏硬度測試在金相試樣表面進(jìn)行，使用的布氏硬度試驗(yàn)儀器型號(hào)為HBRV-187.5,試驗(yàn)載荷為87.5 kg,鋼球直徑為2.5 mm,載荷保持時(shí)間為10 s。試驗(yàn)結(jié)果列于表2中。結(jié)果為：金相環(huán)1各測點(diǎn)的硬度值有少許差異，但泄漏處與背火面布氏硬度平均值相當(dāng)；金相環(huán)2測試結(jié)果與金相環(huán)1相似，即各測點(diǎn)的硬度值有少許差異，其布氏硬度平均值與金相環(huán)1相當(dāng)，表明該泄漏點(diǎn)處的材料力學(xué)性能并未明顯劣化。

4 金相組織檢驗(yàn)

金相試樣取樣位置見圖1，分別在泄漏處及遠(yuǎn)離泄漏處割取金相環(huán)1和金相環(huán)2。金相照片見圖2。檢驗(yàn)結(jié)果：泄漏點(diǎn)、泄漏點(diǎn)附近以及遠(yuǎn)離泄漏處金相組織均為鐵素體＋珠光體，珠光體為聚集形態(tài)，晶界上未見碳化物析出，如照片a、b、d；外壁減薄部位金屬組織無變化；泄漏處內(nèi)、外壁無脫碳，內(nèi)、外壁邊緣無明顯方向性沖刷磨損痕跡，如照片c。

表2 布氏硬度測試結(jié)果HB

圖2 泄漏管子不同位置組織形貌

5 管子外壁垢層體視形貌

發(fā)生泄漏的省煤器管子外壁被大量灰白色垢層覆蓋，且灰白色垢層易于脫落。垢層在體視顯微鏡下的形貌為疏松的灰垢下呈現(xiàn)大量白色的鹽狀物質(zhì)，如圖3所示。

圖3 省煤器管子外壁垢層體視形貌

6 管子外壁垢層元素組成及結(jié)構(gòu)分析

對發(fā)生泄漏的省煤器管子外壁垢層進(jìn)行了X-ray晶體結(jié)構(gòu)衍射分析，使用的分析儀器為X′pert MPD Pro衍射儀。外壁垢層晶體結(jié)構(gòu)X-ray衍射分析結(jié)果表明：外壁垢層的主要成分為CaSO4，其含量高達(dá)77 %，說明煙氣中含有硫酸蒸汽，同時(shí)由于省煤器壁溫較低，從而構(gòu)成了硫酸露點(diǎn)腐蝕。另一方面，由于腐蝕產(chǎn)物主要為CaSO4，Ca為灰分成分說明發(fā)生了低溫露點(diǎn)腐蝕與低溫積灰交互作用而形成了惡性循環(huán)，這一惡性循環(huán)足以導(dǎo)致管壁減薄并最終洞穿泄漏。外壁垢層的次組分為SiO2，含量為20 %，SiO2為灰分成分。外壁垢層中還含有微量鐵的硫化物FeS和FeS2以及氧化物Fe3O4，各占1 %。FeS、FeS2為硫的高溫腐蝕產(chǎn)物，含量微量正說明了該管子主要發(fā)生了硫的低溫露點(diǎn)腐蝕。

7 分析與討論

依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可見，發(fā)生泄漏的省煤器管子的化學(xué)成分合格，金相組織正常，泄漏處硬度無明顯下降。這一方面說明該管子泄漏同原始材料無關(guān)，另一方面也說明該管子運(yùn)行溫度在蠕變溫度點(diǎn)以下。泄漏管子的宏觀失效特征表現(xiàn)為因外壁的腐蝕減薄而導(dǎo)致的泄漏，管子外表面大量的附著物經(jīng)XRD晶體結(jié)構(gòu)分析為硫酸鹽，結(jié)合該省煤器運(yùn)行的溫度區(qū)間，說明管子外壁存在硫的低溫腐蝕現(xiàn)象。

20G鋼在530 ℃以下運(yùn)行時(shí)具有滿意的抗氧化性能，但長期在450 ℃以上運(yùn)行會(huì)發(fā)生珠光體球化和石墨化。該鋼常用于制造高壓、高參數(shù)的鍋爐管件，若用作受熱面管件，其長期使用的最高壁溫應(yīng)不高于450 ℃；用作聯(lián)箱和蒸汽管道時(shí)，長期使用溫度應(yīng)不高于425 ℃。若將20G鋼用于省煤器，還需考慮鋼材抗硫酸露點(diǎn)腐蝕的性能。

產(chǎn)生硫酸露點(diǎn)腐蝕有2個(gè)要素：一是煙氣中有硫酸蒸汽，二是受熱面管子壁溫低。燃煤中的硫燃燒后生成SO2，其中有一部分再氧化成SO3，SO3與煙氣中的水蒸氣結(jié)合成為硫酸蒸汽。當(dāng)受熱面壁溫低于煙氣中硫酸蒸汽的露點(diǎn)時(shí)，煙氣中的硫酸蒸汽就會(huì)在金屬壁面上凝結(jié)成液態(tài)硫酸，對金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的酸性腐蝕，即產(chǎn)生硫酸露點(diǎn)腐蝕，故酸露點(diǎn)也稱為煙氣露點(diǎn)。煙氣露點(diǎn)可達(dá)140～160?℃，甚至更高。

硫酸露點(diǎn)腐蝕常經(jīng)歷3個(gè)階段：①鍋爐開始運(yùn)行或剛剛停止運(yùn)行時(shí)，受較低溫度(≤80?℃)和低濃度硫酸(≤60?%)的腐蝕，此時(shí)鋼受到活態(tài)腐蝕；②鍋爐進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，金屬表面已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，此時(shí)鋼受到凝結(jié)出的高溫、高濃度(＞60?%)硫酸的腐蝕，對于一般鋼材仍處于活態(tài)腐蝕；③在鍋爐運(yùn)行狀態(tài)下，金屬表面溫度和凝結(jié)的硫酸濃度都與第2階段相同，不同的是硫酸中含有大量未燃燒的碳微粒，在它的催化氧化作用下，會(huì)生成大量Fe3+，使耐蝕鋼(如含有Cr、B、Cu元素的鋼)出現(xiàn)第4次鈍化，而非耐蝕鋼(如20G鋼)卻不鈍化，腐蝕速率依然很高。選用含有耐蝕元素的鋼材或控制燃料中硫的含量可以有效防止硫酸露點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

另外，受熱面的低溫露點(diǎn)腐蝕與低溫積灰往往相互影響而形成惡性循環(huán)。積灰后受熱面壁溫降低，有助于硫酸蒸汽的凝結(jié)，而且在350?℃以下被黏結(jié)的低溫積灰能吸附SO3，使腐蝕加劇，同時(shí)又繼續(xù)黏結(jié)飛灰；若腐蝕損壞受熱面引起漏風(fēng)，將使煙溫進(jìn)一步降低，從而加劇腐蝕與積灰的進(jìn)行。

8 結(jié)論及建議

該省煤器管子發(fā)生爆管的性質(zhì)為：硫的低溫腐蝕，即硫酸露點(diǎn)腐蝕導(dǎo)致管子不斷減薄并洞穿。產(chǎn)生硫酸露點(diǎn)腐蝕的因素為煙氣中硫的含量和管壁溫度，因此防止或減輕低溫腐蝕需從這2個(gè)因素入手，建議如下。

(1)?提高省煤器管子的壁溫，即提高省煤器進(jìn)口蒸汽溫度。應(yīng)盡量避免機(jī)組頻繁啟停而造成管壁溫度低于硫酸露點(diǎn)溫度。

(2)?減少煙氣中SO3的含量?？山档瓦^量空氣系數(shù)和減少漏風(fēng)，在完全燃燒的前提下維持低氧燃燒，或使用添加劑進(jìn)行爐內(nèi)脫硫。

(3)?省煤器采用耐腐蝕材料，如用新型陶瓷復(fù)合材料，以提高省煤器管子的耐腐蝕和耐磨損性能。

1?山西省電力公司．火力發(fā)電[M]．北京：中國電力出版社，?2002.

2?黃建中，左禹主．材料的耐蝕性和腐蝕數(shù)據(jù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

2013-06-26）