鍋爐水墻管高溫垢下腐蝕穿孔失效分析

葉偉文 劉課秀 盧忠銘 王 戀 馬 括

（廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院 廣州 510663）

工業(yè)鍋爐水垢的形成，嚴(yán)重影響著鍋爐的安全運(yùn)行，極易發(fā)生危險(xiǎn)[1]。某企業(yè)在鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋筒及水墻管水側(cè)水垢厚約4～5mm，清除水垢后發(fā)現(xiàn)鍋爐右墻(煙氣通道側(cè))水墻管有3根穿孔泄漏。鍋爐結(jié)垢及腐蝕情況嚴(yán)重，部分水墻管已出現(xiàn)穿孔泄漏，存在嚴(yán)重的安全隱患。本文對(duì)鍋爐鍋筒及水墻管內(nèi)壁結(jié)垢及腐蝕穿孔進(jìn)行了原因分析和措施探討。

1 基本情況

水墻管出現(xiàn)穿孔泄漏的鍋爐型號(hào)為SZL4-1.25-X，額定蒸發(fā)量為4t/h，結(jié)構(gòu)形式為雙鍋筒縱置式鏈條爐，使用燃料為生物質(zhì)，額定蒸汽壓力為1.25 MPa，額定蒸汽溫度為193℃，鍋筒材料為Q245R，鍋筒厚度規(guī)格為14mm。發(fā)生穿孔泄漏的水墻管為20鋼，規(guī)格為φ51×3mm。

現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，3根穿孔泄漏的水墻管均位于鍋爐煙氣通道側(cè)（右側(cè)），包括泄漏管在內(nèi)的部分水墻管已被拆卸，見圖1。鍋爐上鍋筒內(nèi)部經(jīng)化學(xué)清洗后仍可見少量水垢殘留，見圖2。鍋爐水墻管表面均被氧化層覆蓋，其中出現(xiàn)泄漏的水墻管的最大穿透孔徑約20mm，泄漏孔距離上部折彎位置約500～700mm，泄漏孔均在水墻管的向火面一側(cè)，見圖3。

圖1 水墻管泄漏鍋爐

圖2 上鍋筒內(nèi)部水垢

圖3 穿孔水墻管

將水墻管A切斷后，可見管子內(nèi)部?jī)?nèi)壁基本被水垢和腐蝕產(chǎn)物覆蓋，其中內(nèi)壁表面水垢成黃白色，與管壁接觸的內(nèi)層物質(zhì)呈深黑色，管子局部從內(nèi)壁向外壁腐蝕穿孔，見圖4。管子局部去除管壁金屬層后，可見一層較厚的腐蝕產(chǎn)物和水垢，厚度約4mm，見圖5。

圖4 水墻管A橫截面

圖5 水墻管A切除金屬層

2 試驗(yàn)與分析

2.1 壁厚測(cè)定

對(duì)泄漏水墻管未穿孔部位進(jìn)行測(cè)厚，結(jié)果顯示水墻壁剩余壁厚約為2.6～2.8mm。對(duì)燃燒室左右兩側(cè)的剩余部分未拆除水管向火面進(jìn)行抽測(cè)，結(jié)果顯示其厚度約為2.7～2.8mm?？梢娙紵业乃畨芫霈F(xiàn)不同程度的腐蝕減薄。

2.2 金相分析

對(duì)管A進(jìn)行金相分析，結(jié)果顯示管A向火面的金相組織為鐵素體+珠光體，碳化物呈顆粒狀，根據(jù)DL/T 674—1999《火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，珠光體球化級(jí)別1.5～2級(jí)[2]，見圖6。管A背火面的金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體層片狀結(jié)構(gòu)清晰，組織未見異常，見圖7。

圖6 管A向火面顯微組織

圖7 管A背火面顯微組織

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)水墻管A的向火面和背火面制樣按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分 室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)[3]，試驗(yàn)結(jié)果見表1。結(jié)果顯示水墻管的向火面材料的下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，背火面材料下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)（20/GB 3087—2008）要求[4]。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.4 材料成分分析

根據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法》對(duì)水墻管A進(jìn)行材質(zhì)分析，管子材質(zhì)基本符合標(biāo)準(zhǔn)（20/GB/T 699—1999）要求[5-6]，水墻管向火面外壁碳含量略低，可見水墻管的向火面外壁出現(xiàn)了輕微脫碳現(xiàn)象，見表2。

表2 材料成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

2.5 鍋爐水質(zhì)分析

核查該鍋爐的過去一年四個(gè)季度的水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)該鍋爐給水和鍋水長(zhǎng)期處于不合格狀態(tài)，其中給水硬度指標(biāo)實(shí)測(cè)最大值大于GB/T 1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)上限值100多倍[7]，鍋水磷酸根和亞硫酸根均長(zhǎng)期不合格。鍋爐給水和鍋水存在的給水濁度、硬度超標(biāo)等問題均可致鍋筒內(nèi)部產(chǎn)生水垢，導(dǎo)致鍋筒的導(dǎo)熱性能差。鍋爐給水如未經(jīng)軟化處理， 水中陽(yáng)離子主要有Ca2+、Mg2+、Na+等，陰離子主要有HCO3-，Cl-，SO42-等。例如給水硬度過高時(shí)，這些“硬水”在鍋爐內(nèi)加熱、受壓和濃縮的作用下，水中一些含量較高的離子首先達(dá)到某些鹽類的溶度積和過飽和狀態(tài)而生成沉淀，形成水垢。

表3 水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

2.6 管內(nèi)水垢及腐蝕產(chǎn)物分析

對(duì)水墻管內(nèi)壁靠近內(nèi)壁金屬的黑色物質(zhì)進(jìn)行掃描電鏡能譜分析和XRD物相分析，結(jié)果顯示該物質(zhì)主要為Fe3O4和CaSO4，可判斷內(nèi)壁黑色物質(zhì)為水垢和氧化腐蝕物的混合物體，見圖8～圖9。對(duì)管內(nèi)外層黃白色水垢進(jìn)行掃描電鏡能譜分析和XRD物相分析，物相分析結(jié)果顯示其主要物質(zhì)為CaSO4等鹽類，見圖10～圖11。

圖8 管內(nèi)壁黑色腐蝕產(chǎn)物能譜圖

圖9 管內(nèi)壁黑色腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果

圖10 管內(nèi)壁白色水垢能譜分析結(jié)果

圖11 管內(nèi)壁白色水垢XRD分析結(jié)果

3 原因分析

從鍋爐水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果可知，該爐給水和鍋水長(zhǎng)期處于不合格狀態(tài)，其中給水硬度指標(biāo)實(shí)測(cè)最大值已達(dá)GB/T 1576—2008 《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)上限值100多倍，導(dǎo)致鍋爐內(nèi)部產(chǎn)生大量水垢，其中水墻管內(nèi)水垢厚度達(dá)4mm，水垢主要組成物質(zhì)為CaSO4等鹽類。水墻管內(nèi)覆蓋大量水垢，水垢導(dǎo)熱性能差，導(dǎo)致水垢下部的金屬壁溫升高，長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)。水墻管向火面金屬出現(xiàn)高溫過熱球化和脫碳，強(qiáng)度下降。當(dāng)鍋爐受熱面上存在水垢時(shí)，因傳熱不良而使水垢下金屬管壁的溫度升高，并使水垢下的爐水不斷蒸發(fā)濃縮，逐漸產(chǎn)生水垢下的腐蝕[8]。水墻管內(nèi)水垢等沉積物下面的鍋水急劇蒸發(fā)濃縮，導(dǎo)致各種雜質(zhì)濃度升高造成管內(nèi)壁的垢下金屬發(fā)生高溫垢下腐蝕，主要腐蝕產(chǎn)物為Fe3O4。

綜上分析可知，由于鍋爐給水和鍋水硬度等指標(biāo)不符合GB/T 1576—2008 《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致水墻管內(nèi)壁覆蓋導(dǎo)熱性能差的水垢，管壁溫度異常升高，材料組織過熱球化和脫碳，材料強(qiáng)度下降，管內(nèi)壁垢下金屬發(fā)生了高溫垢下腐蝕，最終導(dǎo)致水墻管向火面（高溫側(cè)）發(fā)生腐蝕穿孔泄漏。

4 對(duì)策探討

1）可用內(nèi)窺鏡觀察確認(rèn)每根受熱面管內(nèi)部水垢清除效果，并按TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》第2.6.3.6款要求，鍋爐內(nèi)部結(jié)垢采用化學(xué)清洗時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照TSG G5003—2008《鍋爐化學(xué)清洗規(guī)則》進(jìn)行，確保所有水墻管內(nèi)側(cè)水垢和腐蝕產(chǎn)物得到有效清除[9-10]。

2）對(duì)水墻管、對(duì)流管和爐門彎管進(jìn)行水垢徹底清洗后，再對(duì)每條管子進(jìn)行剩余壁厚測(cè)定，按TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》第2.6.3.4款要求，當(dāng)受壓部件最小實(shí)測(cè)壁厚小于最小需要壁厚時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行修復(fù)（更換），確保所有管子壁厚滿足設(shè)計(jì)要求。

3）鍋爐受熱面管出現(xiàn)高溫過熱球化和脫碳，強(qiáng)度下降，材料拉伸試驗(yàn)強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，建議對(duì)鍋爐燃燒室內(nèi)受熱水管進(jìn)行更換。

4）鍋爐維修完畢后，應(yīng)對(duì)鍋爐本體進(jìn)行鈍化、清洗及液壓試驗(yàn)（特別注意，酸洗后的鍋爐應(yīng)充分中和、置換），使用合格的水處理設(shè)備和藥劑，切實(shí)加強(qiáng)鍋爐的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和管理，確保鍋爐水質(zhì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]張海峰. 淺談工業(yè)鍋爐水垢的危害及預(yù)防措施[J].世界有色金屬，2018（21）：267-268.

[2]DL/T 674—1999 火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]GB/T 228.1—2010 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分室溫試驗(yàn)方法[S].

[4]GB 3087—2008 低中壓鍋爐用無(wú)縫鋼管[S].

[5]GB/T 4336—2016 碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法[S].

[6]GB/T 699—1999 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼[S].

[7]GB/T 1576—2008 工業(yè)鍋爐水質(zhì)[S].

[8]栗帥，王登惠，李趙．工業(yè)鍋爐水側(cè)腐蝕成因及應(yīng)對(duì)措施[J]．石油和化工設(shè)備，2016，19（07）：78-80.

[9]TSG G7002—2015 鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則[S].

[10]TSG G5003—2008 鍋爐化學(xué)清洗規(guī)則[S].