鍋爐水冷壁腐蝕失效的原因

王鵬舉，王榮文，張宗棠，田志娟

（中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽(yáng)分公司，洛陽(yáng)471012）

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鍋爐水冷壁腐蝕失效的原因

王鵬舉，王榮文，張宗棠，田志娟

（中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽(yáng)分公司，洛陽(yáng)471012）

摘 要：某石化廠三臺(tái)高壓鍋爐因水冷壁腐蝕爆管引起鍋爐機(jī)組停機(jī)，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)檢測(cè)分析，三臺(tái)鍋爐水冷壁腐蝕主要原因是堿性腐蝕，高含量的堿性介質(zhì)腐蝕水冷壁迎火面內(nèi)表面上的鈍化氧化保護(hù)膜，形成腐蝕潰瘍，管壁不斷減薄，因不能承受高溫高壓水蒸氣的壓力而發(fā)生爆管。

關(guān)鍵詞：水冷壁；堿性腐蝕；失效

洛陽(yáng)石化共三臺(tái)高壓鍋爐，其中1號(hào)、2號(hào)爐為1998年投產(chǎn)的220 t/h煤粉爐，3號(hào)爐為2009年投產(chǎn)的310 t/h CFB爐，鍋爐水冷壁材料均為20G鋼，三臺(tái)鍋爐通過(guò)給水母管供水。三臺(tái)高壓鍋爐自2013年以來(lái)因水冷壁爆管泄漏停爐6次，其中1號(hào)煤粉爐2次，2號(hào)煤粉爐3次，3號(hào)CFB爐1次。

水冷壁爆管泄漏與多種因素有關(guān)，主要與水冷壁管腐蝕失效有關(guān)。水冷壁是鍋爐腐蝕事故的高發(fā)區(qū)域，進(jìn)入鍋爐的水在水冷壁管中部分汽化蒸發(fā)，化學(xué)物質(zhì)濃縮百倍以上。水冷壁腐蝕主要發(fā)生在向火側(cè)，與爐膛溫度分布有關(guān)，溫度越高，腐蝕越明顯，同時(shí)水冷壁管中的沉積物和腐蝕坑會(huì)加速管道腐蝕的發(fā)生［1］。

影響水冷壁腐蝕失效的因素主要有：凝汽器嚴(yán)密性、爐水水質(zhì)（p H、Na3PO4含量、氧含量、電導(dǎo)率等）、燃燒控制（燃料供給率、火焰均勻程度等），其中凝汽器嚴(yán)密性及爐水水質(zhì)控制至關(guān)重要。

1 水冷壁腐蝕原因及腐蝕類(lèi)型確定

1.1 理化檢驗(yàn)

1.1.1化學(xué)成分

將背火面編號(hào)為1號(hào)，迎火面編號(hào)為2號(hào)，對(duì)1號(hào)、2號(hào)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，失效管件的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20G鋼的要求。

表1　化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 The results of chemical component analysis（mass）　%

1.1.2力學(xué)性能

對(duì)1號(hào)、2號(hào)試樣進(jìn)行力學(xué)性能分析，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可知，1號(hào)和2號(hào)試樣常溫拉伸符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且兩者數(shù)值接近；1號(hào)和2號(hào)試樣在320℃時(shí)的力學(xué)性能接近，抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2等稍遜于在常溫中的；1號(hào)和2號(hào)試樣的沖擊性能接近。

表2　力學(xué)性能分析結(jié)果Tab.2 The results of mechanical property analysis

1.1.3管道解剖

將管道解剖觀察內(nèi)表面形貌，見(jiàn)圖1。表面鼓包處周?chē)艿牢匆?jiàn)明顯形變，鼓包處內(nèi)表面為一個(gè)腐蝕坑，腐蝕坑呈鑿槽型，腐蝕坑底部減薄至約1 mm厚；腐蝕坑處的腐蝕產(chǎn)物呈層狀，較疏松，敲擊后即成片脫落，脫落后顯示出基體底部特征，呈多個(gè)小腐蝕坑相連形貌。

圖1　鼓包處內(nèi)外表面形貌Fig.1 Surface morphology of outside（a）and inside（b）of the bump

由圖2可見(jiàn)，在鼓包附近觀察到另外三處腐蝕凸起，這四個(gè)腐蝕坑中有三個(gè)大約在一條直線上，且該直線所處位置緊鄰翅片處的迎火面。凸起處是由于腐蝕產(chǎn)物體積膨脹而形成的。由測(cè)試可知，該管道為無(wú)縫管，翅片焊接的熱影響區(qū)寬度僅0.6 mm，因此熱影響區(qū)距離腐蝕坑較遠(yuǎn)，對(duì)內(nèi)表面的腐蝕坑無(wú)明顯影響。

對(duì)送檢的600 mm長(zhǎng)管道進(jìn)行仔細(xì)檢測(cè)，整個(gè)管道內(nèi)表面均存在一薄層磚紅色的氧化物。在迎火面的內(nèi)表面存在較多的潰瘍狀的腐蝕點(diǎn)，見(jiàn)圖3（a）；而在背火面光滑則無(wú)明顯該腐蝕特征，見(jiàn)圖3（b）。

圖2　腐蝕坑分布Fig.2 Distribution of corrosion pits

圖3　迎火面和背火面的內(nèi)表面形貌對(duì)比Fig.3 Comparison of morphology in fire side（a）and back side（b）of water wall

1.1.4塊狀腐蝕產(chǎn)物

對(duì)塊狀腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射分析，由分析結(jié)果可知，該塊狀腐蝕產(chǎn)物主要為磁性氧化鐵（Fe3O4），并有少量的Fe2O3。

1.1.5 EDS能譜

磚紅色氧化物表面EDS分析結(jié)果見(jiàn)圖4，腐蝕潰瘍處EDS譜見(jiàn)圖5。兩者都富含氧，腐蝕潰瘍及鼓包處含有大量鐵，其他主要含有水質(zhì)中的磷、銅、鈣等元素。鼓包處腐蝕產(chǎn)物能譜圖見(jiàn)圖6，元素較復(fù)雜，除富含氧、鐵元素外，還含有鈾、鉻等元素，可能是破裂后與外界相連而引來(lái)的外來(lái)物質(zhì)。

1.1.6金相分析

失效管道夾雜物級(jí)別為D1.0和0.5e，其組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為9.5級(jí)，見(jiàn)圖7。管道材質(zhì)正常。

圖4　磚紅色氧化物表面的EDS譜Fig.4 EDS of the surface of brick-red oxide

圖5　腐蝕潰瘍處的EDS譜Fig.5 EDS of corrosion ulcer

圖6　鼓包處腐蝕產(chǎn)物的EDS譜Fig.6 EDS of corrosion product near the bump

圖7　失效管道顯微組織Fig.7 Microstructure of the failure pipe

管道迎火面外表面有一層約8μm的致密氧化物層，無(wú)脫碳等異常現(xiàn)象，見(jiàn)圖8。

圖8　迎火面外表面顯微組織Fig.8 Microstructure of outside of the fire side

管道迎火面內(nèi)表面有一層10～40μm的波浪狀的致密氧化物層，見(jiàn)圖9。

圖9　迎火面內(nèi)表面拋光態(tài)和腐蝕態(tài)Fig.9 Polishing（a）and corrosion（b）of inside of the fire side

腐蝕坑處拋光態(tài)形貌見(jiàn)圖10（a），腐蝕坑基體上方覆蓋一層較厚氧化層，氧化層具有層狀脫落特征，氧化層較疏松，有孔洞及裂紋存在。氧化層下的基體為正常組織，未發(fā)生脫碳及過(guò)熱球化等現(xiàn)象，見(jiàn)圖10（b）。靠近氧化層下的基體顯微硬度為143 HV0.2，管壁厚度中心處基體顯微硬度為141 HV0.2，硬度相近。

潰瘍處拋光態(tài)形貌見(jiàn)圖11（a），基體上方覆蓋一層較厚氧化層，氧化層具有層狀脫落特征，氧化層較疏松，有孔洞及裂紋存在；氧化層下的基體為正常組織，未發(fā)生脫碳及過(guò)熱球化等現(xiàn)象，見(jiàn)圖11（b）。

圖10　腐蝕坑拋光態(tài)和腐蝕態(tài)Fig.10 Polishing（a）and corrosion（b）of corrosion pit

圖11　潰瘍處拋光態(tài)和腐蝕態(tài)Fig.11 Polishing（a）and corrosion（b）of ulcer

1.2 腐蝕類(lèi)型確定

高壓鍋爐的氧腐蝕主要發(fā)生在省煤器處，水冷壁腐蝕主要是酸腐蝕及堿腐蝕［2-5］。發(fā)生酸腐蝕的基本特征是爐水有低p H運(yùn)行史及腐蝕部位有明顯脫碳現(xiàn)象，上文分析可知，腐蝕坑處無(wú)脫碳現(xiàn)象，可排除酸腐蝕。

檢測(cè)失效水冷壁管道化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，常溫力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。迎火面和背火面材質(zhì)和性能無(wú)明顯差異。腐蝕坑及潰瘍的特征一致，僅僅是腐蝕程度不一樣。因此管道迎火面的內(nèi)表面首先形成潰瘍狀的腐蝕點(diǎn)，在個(gè)別區(qū)域腐蝕點(diǎn)繼續(xù)腐蝕形成較大的腐蝕坑，當(dāng)腐蝕坑減薄到不能承受高溫水蒸氣的壓力時(shí)就發(fā)生延性破裂泄漏，即鼓泡泄漏。

腐蝕發(fā)生在迎火面內(nèi)表面，呈穿孔形式，腐蝕坑呈鑿槽型，腐蝕產(chǎn)物呈層狀，主要為Fe3O4。腐蝕坑及潰瘍下的基體仍保持原來(lái)基體性能，這些腐蝕特征與NaOH堿腐蝕的特征完全相符。

因此，失效水冷壁腐蝕類(lèi)型為堿性腐蝕，主要原因?yàn)闋t水中含有堿性NaOH，在高溫環(huán)境中高濃度的堿介質(zhì)將腐蝕內(nèi)表面起保護(hù)作用的鈍化氧化膜腐蝕，形成腐蝕潰瘍，而產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物Fe3O4不致密，介質(zhì)可以不斷接觸到裸露出的基體，腐蝕繼續(xù)，管壁不斷減薄成腐蝕坑，直至破裂。

2 堿性腐蝕原因分析

2.1 凝汽器泄漏生成NaOH

有研究表明，鍋爐水冷壁堿性腐蝕半數(shù)以上來(lái)源于凝汽器泄漏。

我單位1號(hào)、3號(hào)機(jī)組凝汽器運(yùn)行時(shí)曾發(fā)生過(guò)泄漏，凝汽器泄漏時(shí)，循環(huán)水進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)，導(dǎo)致凝結(jié)水電導(dǎo)率超標(biāo)，化驗(yàn)結(jié)果顯示，3號(hào)機(jī)凝結(jié)水電導(dǎo)率最高22.4μS/cm，平均4.27μS/cm，水樣硬度最高63μmol/L，凝結(jié)水電導(dǎo)率長(zhǎng)期不達(dá)標(biāo)。

循環(huán)水自身帶有高含量游離堿外，其中的碳酸鹽進(jìn)入給水系統(tǒng)后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成NaOH和Ca3（PO4）2。這樣爐水中游離的NaOH進(jìn)一步增加，Ca3（PO4）2結(jié)垢造成水冷壁內(nèi)局部溫度升高，加劇堿性腐蝕。隨著NaOH含量大幅增加，逐漸腐蝕水冷壁氧化保護(hù)膜，形成堿性腐蝕［3］。

2.2 補(bǔ)水中NaOH

對(duì)除鹽水進(jìn)行化學(xué)檢驗(yàn)，結(jié)果表明其平均電導(dǎo)率0.82μS/cm，平均鈉離子質(zhì)量濃度3.36μg/L，除鹽水中含有一定量碳酸鹽及游離堿。我單位凝結(jié)水補(bǔ)水為除鹽水，一級(jí)除鹽系統(tǒng)在運(yùn)行后期（特別是在失效前）會(huì)釋放出大量NaOH，進(jìn)入爐水會(huì)造成游離NaOH含量升高。

2.3 爐水水質(zhì)超標(biāo)

國(guó)標(biāo)要求鍋爐水質(zhì)合格率不低于98.5%，但在

運(yùn)行中，因水質(zhì)波動(dòng)及配藥調(diào)整等多種原因，水質(zhì)存在超標(biāo)現(xiàn)象。鍋爐給水p H控制在8.8～9.3，爐水p H控制在9.0～10.5［4］，運(yùn)行時(shí)水質(zhì)呈堿性且有超標(biāo)記錄，爐水p H較高（最高值達(dá)到10.56）。p H一般控制在9.3～9.7時(shí)可更有效避免堿腐蝕。

因此，導(dǎo)致鍋爐火冷壁腐蝕失效的原因主要有以上三點(diǎn)。

3 堿性腐蝕預(yù)防及處理措施

應(yīng)定期對(duì)凝汽器泄漏進(jìn)行排查。發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水導(dǎo)電度上升，應(yīng)及時(shí)對(duì)凝結(jié)水水質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)；當(dāng)凝結(jié)水硬度大于5μmol/L時(shí)，降低循環(huán)水壓力，增加凝汽器補(bǔ)水量，利用膠球清洗裝置加木屑堵漏等；當(dāng)凝結(jié)水硬度大于20μmol/L時(shí)，進(jìn)行凝汽器半面隔絕找漏；當(dāng)凝結(jié)水硬度大于50μmol/L或者給水硬度大于3μmol/L時(shí)，采取措施仍無(wú)效且有繼續(xù)上升趨勢(shì)，調(diào)整熱電負(fù)荷，申請(qǐng)停機(jī)處理。

加強(qiáng)鍋爐水水質(zhì)控制，嚴(yán)格控制補(bǔ)給除鹽水及凝結(jié)水中的電導(dǎo)率及碳酸鹽含量。

定期對(duì)鍋爐進(jìn)行停爐保養(yǎng)［6］、無(wú)損檢驗(yàn)［7］和化學(xué)清洗［8］。

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Corrosion Failure Reason of Boiler Water-cooling Wall

WANG Peng-ju，WANG Rong-wen，ZHANG Zong-tang，TIAN Zhi-juan
（Luoyang Petrochemical of SINOPEC，Luoyang 471012，China）

Abstract：Three high peressuer boilers in a petrochemical factory were shut down because of corrosion bursting of water wall，which affected the safety of operation of the unite.A analysis results showed that，the boiler corrosion was mainly caused by alkali corrosion，the inner surface passivation protective films of boiler water-wall tubes corroded by high concentration alkaline medium，and corrosive ulcer formed in the tube wall，which led to coutineous thinning of the tube wall.Finaly the tube bursted when the pressure and the temperature of steam were overloaded.

Key words：water wall tube；alkali corrosion；failure

通信作者：王鵬舉（1986-），工程師，在職研究生，從事鍋爐生產(chǎn)運(yùn)行工作，18739068329，408475880@qq.com

收稿日期：2015-01-05

DOI：10.11973/fsyfh-201603015

中圖分類(lèi)號(hào)：TG174

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1005-748X（2016）03-0255-04