鍋爐省煤器管內(nèi)壁減薄原因分析

李發(fā)潛

摘 要：某廠動(dòng)力鍋爐省煤器投運(yùn)1年就出現(xiàn)高溫段省煤器管壁厚出現(xiàn)快速減薄現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場檢驗(yàn)調(diào)研情況并對腐蝕管樣進(jìn)行理化分析，結(jié)果表明，省煤器管減薄為內(nèi)壁氧腐蝕所致，而省煤器沸騰度過高加劇了省煤器管的腐蝕速率。

關(guān)鍵詞：省煤器;氧腐蝕;沸騰度

中圖分類號：TK223 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0039-03

Abstract： The thickness of economizer tube in high temperature section of a power boiler has been thinning rapidly since it was put into operation for one year. In view of field inspection and investigation， the physical and chemical analysis of corroded tube samples is carried out. The results show that the thinning of economizer tubes is caused by oxygen corrosion on the inner wall， and the high boiling rate of economizer intensifies the corrosion rate of economizer tubes.

Keywords： economizer; oxygen corrosion; boiling rate

省煤器是位于鍋爐尾部煙道中將鍋爐給水加熱成汽包壓力下的飽和水的受熱面，它吸收低溫?zé)煔獾臒崃?，降低了鍋爐煙氣的排煙溫度，節(jié)省能源并提高效率。2017年，對某廠動(dòng)力鍋爐進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)上組省煤器管與出口集箱連接的彎頭處普遍存在快速減薄現(xiàn)象，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)該處省煤器管彎頭管段普遍減薄，最小實(shí)測壁厚為0.6mm，已大大低于管子的許用壁厚。為避免后續(xù)出現(xiàn)爆管泄漏問題對廠區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)造成影響，在現(xiàn)場選取省煤器管子彎頭進(jìn)行割管取樣送檢，根據(jù)理化試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合本鍋爐相關(guān)資料對此次省煤器管減薄的原因進(jìn)行了分析。

1 概述

某廠動(dòng)力鍋爐負(fù)責(zé)全廠的發(fā)電需要和設(shè)備所需的蒸汽供給。鍋爐工作壓力3.8MPa，蒸發(fā)量75t/h，設(shè)計(jì)出口溫度450℃。鍋爐共4組省煤器，管束排列為順列布置，總換熱面積1746m2，省煤器管規(guī)格為Φ38×3.5mm，材質(zhì)為20#鋼，運(yùn)行介質(zhì)為除鹽水。

2 檢查與試驗(yàn)

2.1 宏觀檢查

檢測試樣為省煤器彎頭管段。換熱管外壁均呈灰棕色，并未發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)和明顯腐蝕（圖1所示）?？v向剖開管子后，發(fā)現(xiàn)管子外側(cè)彎曲處內(nèi)壁腐蝕減薄較嚴(yán)重，其內(nèi)壁存在大量的點(diǎn)狀腐蝕坑，大部分腐蝕坑大小為1～3mm，深度普遍小于0.5mm，腐蝕坑分布較為均勻，坑深較為平坦（圖2所示）。

2.2 金屬化學(xué)成分試驗(yàn)

使用Niton XL2直讀光譜儀對減薄的省煤器彎頭管段試樣進(jìn)行金屬化學(xué)成分分析，試驗(yàn)結(jié)果見表1。結(jié)果表明成分符合20#鋼的成分要求。

2.3 金相組織試驗(yàn)

對省煤器彎頭管段母材截面以及腐蝕坑邊界處截面進(jìn)行金相檢測。在彎頭內(nèi)表面腐蝕附坑近部位置取縱向截面的金相試樣，采用機(jī)械拋光、4%硝酸酒精腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下觀察。如圖3所示，金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體形態(tài)完整，球化級別2.5級，未發(fā)現(xiàn)粗大組織和夾雜物，組織正常，腐蝕坑周圍未見裂紋、脫碳層、氧化皮等異常。

2.4 掃描電鏡能譜分析試驗(yàn)

在彎頭管段部位制取試樣，由Zeiss EVO18掃描電鏡（SEM）對管子內(nèi)壁的腐蝕坑進(jìn)行觀察，內(nèi)壁腐蝕坑形貌見圖4。經(jīng)掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)省煤器管內(nèi)壁腐蝕坑腐蝕均勻，腐蝕深度較平坦，與此同時(shí)，在腐蝕坑內(nèi)以及腐蝕區(qū)域邊緣未發(fā)現(xiàn)裂紋等異常。

由掃描電鏡能譜儀對管子內(nèi)壁腐蝕坑表面進(jìn)行元素分析，得到半定量分析結(jié)果見圖5。由掃描電鏡能譜圖可以看出，內(nèi)壁腐蝕坑主要以鐵氧化物為主，未發(fā)現(xiàn)有Cl、S等腐蝕性元素的存在。

3 綜合分析

金屬化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果表明，所取的省煤器彎頭管段試樣滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T699-2015對20#鋼的化學(xué)成分要求，因此，可以排除省煤器管的快速減薄的原因?yàn)殄e(cuò)用材質(zhì)導(dǎo)致。通過金相檢驗(yàn)分析，省煤器管段試樣金相組織未見組織粗大以及存在非金屬夾雜物、脫碳層、裂紋等異常，金相組織正常，排除因制造安裝問題導(dǎo)致的材料缺陷;通過掃面電鏡能譜分析，排除了鍋爐給水中含有大量Cl、S離子等元素引起省煤器管腐蝕的可能。由上述理化分析結(jié)果，結(jié)合對內(nèi)壁減薄處的宏觀檢查所得出腐蝕坑形貌特征，判斷省煤器管彎頭內(nèi)壁發(fā)生氧腐蝕是省煤器彎頭管段減薄的主要原因。

氧腐蝕也叫吸氧腐蝕，是指鍋爐給水雖然經(jīng)過處理，但仍含有一定量的氧，而氧的化學(xué)性質(zhì)很活潑，能與鋼鐵設(shè)備的鐵元素發(fā)生反應(yīng)，造成鋼鐵設(shè)備的腐蝕，生成鐵的氧化物Fe2O3和Fe3O4，便是日常所說的鐵銹。根據(jù)上述氧腐蝕原理，在給水流經(jīng)省煤器管內(nèi)時(shí)，由于溫度較高，極易發(fā)生省煤器管內(nèi)氧腐蝕，在管內(nèi)壁上形成潰瘍狀腐蝕坑陷，危及省煤器的安全使用。[1]

進(jìn)一步查閱鍋爐資料后發(fā)現(xiàn)，因環(huán)保原因，該鍋爐于2015年由燃煤鍋爐改造為燃燒生物質(zhì)的生物質(zhì)鍋爐，但由于鍋爐改造后，存在生物質(zhì)燃料在爐內(nèi)燃燒不充分、爐膛正負(fù)壓波動(dòng)較大、鍋爐蒸發(fā)量達(dá)不到75t/h、鍋爐排煙溫度較高等問題，因此于2016年對鍋爐進(jìn)行二次改造。二次改造將鍋爐爐頂及汽包整體抬高3000mm，增加爐膛及尾部煙道容量，使水冷壁及省煤器的受熱面增加，以此保證鍋爐運(yùn)行達(dá)到額定蒸發(fā)率，同時(shí)降低排煙溫度。鍋爐經(jīng)過二次改造后，省煤器受熱面由1153m2增加到1746m2。因鍋爐改造后爐膛容量增加，燃料得到更充分燃燒，尾部煙道進(jìn)口處煙溫將大幅提高。

該鍋爐省煤器為沸騰式省煤器，給水在省煤器中受熱后，省煤器出口水溫達(dá)到汽包壓力下的飽和溫度。由于省煤器為對流換熱，煙氣溫度升高以及受熱面增加后，蒸發(fā)量也隨之增加，這將會(huì)使得省煤器的沸騰度大幅度上升。沸騰度是指爐水在省煤器中產(chǎn)生的蒸汽量與進(jìn)入省煤器的給水量之比，中壓鍋爐沸騰度一般設(shè)計(jì)不宜超過20%，沸騰度過大會(huì)增加流動(dòng)阻力，甚至?xí)霈F(xiàn)管組中各管流量交替脈動(dòng)，使省煤器發(fā)生振動(dòng)，易損壞鍋爐[2]。

如果省煤器中僅有單相的水流動(dòng)，或即使水中含有少量蒸汽，這種情況下其對管道內(nèi)壁的沖刷減薄過程是非常均勻而緩慢的;若省煤器中存在大量汽水混合物，將會(huì)加快管壁發(fā)生沖刷減薄的過程。當(dāng)汽水通過最上層的省煤器管時(shí)產(chǎn)生的蒸汽量將達(dá)到最大值，即管內(nèi)工質(zhì)存在大量的蒸汽。由于省煤器與省煤器出口集箱之間的部分管段位于爐墻之外，不受煙氣加熱，管壁溫度較低。蒸汽通過此段，溫度下降，將迅速降溫形成大量水滴，蒸汽與水滴形成的汽水混合物通過集箱前的第一個(gè)省煤器管彎頭時(shí)，汽水混合物因此處結(jié)構(gòu)、溫度的改變將在管內(nèi)劇烈混合翻騰，強(qiáng)烈沖刷彎頭的內(nèi)表面，使彎頭表面因氧腐蝕作用產(chǎn)生的氧化物從管子內(nèi)壁剝離;剝離后管子本體材料在水汽析出的溶氧與管壁材料的氧化反應(yīng)作用下又重新生成氧化物，周而復(fù)始最終使省煤器管彎頭迅速減薄。

4 結(jié)論

通過綜合試驗(yàn)結(jié)果分析以及對鍋爐改造等現(xiàn)場實(shí)際情況的查驗(yàn)分析，判斷鍋爐因給水除氧不充分，攜帶氧氣經(jīng)過省煤器受熱析出使?fàn)t管管子內(nèi)壁發(fā)生氧腐蝕;由于對鍋爐進(jìn)行二次改造打破了鍋爐設(shè)計(jì)的熱平衡，導(dǎo)致省煤器沸騰度過高生成大量蒸汽;蒸汽進(jìn)入省煤器出口集箱前經(jīng)冷卻形成汽水混合物強(qiáng)烈沖刷省煤器出口管彎頭內(nèi)壁;在以上因素的共同作用下，使省煤器管出口處彎頭壁厚在短期內(nèi)快速減薄。

5 預(yù)防措施

（1）加強(qiáng)對水質(zhì)處理和監(jiān)控，嚴(yán)格控制鍋爐給水的溶解氧和pH值等指標(biāo)，使其符合GB 12145的要求。

（2）加強(qiáng)對煙風(fēng)溫度和汽水溫度的監(jiān)控，采取調(diào)整控制鍋爐燃燒等有效措施防止省煤器超溫。

（3）鍋爐停爐期間應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋ｐB(yǎng)工作，防止因積水和氧氣對爐管內(nèi)部造成腐蝕。

（4）宜會(huì)同設(shè)備制造單位，系統(tǒng)性優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適當(dāng)減少鍋爐省煤器受熱面，降低沸騰度以延長設(shè)備壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]張磊，廉根寬.電站鍋爐四管泄露分析與治理[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]車德福，莊正寧，李軍，等.鍋爐[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2008.