600 MW超臨界火電機(jī)組低低溫省煤器管失效分析

陳志榮，房璐璐，王 魯

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

省煤器是現(xiàn)代鍋爐不可缺少的受熱面，它吸收利用尾部煙道中的煙氣熱量，加熱鍋爐給水，達(dá)到節(jié)約燃煤的目的。但由于鍋爐燃用煤質(zhì)較差、煤種多變或煙速設(shè)計(jì)過高，中國(guó)省煤器泄漏和爆管事故占機(jī)組事故比例較大[1]。

針對(duì)省煤器的腐蝕泄漏問題，付國(guó)霞[2]等將其分為3類：

1)磨損以及汽水分層造成管子破裂而泄漏

在省煤器垂直管段不會(huì)出現(xiàn)汽水分層現(xiàn)象。正常流動(dòng)的水平管，只要汽水混合物流速較高，在攪動(dòng)的作用下，汽和水混合得比較好，就不會(huì)出現(xiàn)分層。在分層流動(dòng)時(shí)管子下部有水冷卻，水在流動(dòng)中放熱系數(shù)很大，管壁不會(huì)超溫。而管子上部沒有水膜冷卻，但蒸汽所占份額又比較大，蒸汽的放熱系統(tǒng)較低，因此上部管壁可能超溫而導(dǎo)致破裂，當(dāng)發(fā)生汽水分層時(shí)由于水面的波動(dòng)，在水面附近的管壁溫度就會(huì)波動(dòng)，時(shí)而與汽接觸溫度上升，時(shí)而與水接觸溫度下降，使金屬發(fā)生疲勞而損壞。此外，磨損會(huì)使省煤器管道強(qiáng)度下降，進(jìn)而產(chǎn)生泄漏。這些屬于物理?yè)p壞。

2)低溫腐蝕

低溫腐蝕是一種化學(xué)損壞，是指由于煙氣露點(diǎn)(即酸露點(diǎn))的提高，使低溫受熱面在壁溫低于露點(diǎn)以下的部分有大量硫酸蒸氣凝結(jié)，造成該處受熱面金屬的腐蝕破壞[3]。低溫腐蝕過程是多種化學(xué)物質(zhì)在高溫下共同對(duì)管壁進(jìn)行的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)腐蝕過程,其形成和發(fā)展取決于煙氣中SO3和水蒸氣的含量，腐蝕的速度與酸的濃度、金屬壁溫度以及材料性質(zhì)等有關(guān)[4]。燃煤鍋爐煙氣的低溫腐蝕是鍋爐運(yùn)行過程中的普遍現(xiàn)象, 直接影響到鍋爐的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3]。

3)焊接質(zhì)量不好造成的泄漏

管材的質(zhì)量不過關(guān)是省煤器泄漏的一個(gè)重要原因;另外,由于管束的焊口很多，焊接質(zhì)量不好，從焊口處泄漏的現(xiàn)象也很普遍。

為探究電站鍋爐省煤器的腐蝕和改進(jìn)問題，國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者從各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的研究。鄭德升等[1]在其論文中提出了眾多案例，均是磨損泄漏，其中包括廣東連州發(fā)電廠一期2臺(tái)420 t/h鍋爐低溫省煤器[5]、諫壁發(fā)電廠8號(hào)鍋爐、陡河發(fā)電廠HG-670/140-9型鍋爐等，均以改變省煤器結(jié)構(gòu)的方式增加了省煤器的使用壽命。

在省煤器低溫腐蝕方面的研究也很廣泛。 MOBIN M等人針對(duì)電站鍋爐省煤器管的低溫腐蝕情況，建議采用特殊材料包覆管壁的方法來防止低溫腐蝕的發(fā)生[6]；王然等人的研究結(jié)果表明，通過采取降低鍋爐排煙溫度或改善鍋爐設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)整和入爐燃料質(zhì)量等措施可減輕低溫腐蝕的影響[7]；張基標(biāo)等人通過在模擬試驗(yàn)和工程實(shí)踐驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，新提出的煙氣露點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)公式可以比較準(zhǔn)確地判斷煙氣露點(diǎn)和低溫腐蝕情況，并指出控制鍋爐煙氣低溫腐蝕的本質(zhì)即嚴(yán)格控制鍋爐低溫受熱面金屬壁溫[8]；曹艷等人認(rèn)為造成鍋爐部件發(fā)生硫酸腐蝕的溫度為壁面酸露點(diǎn)，而該溫度遠(yuǎn)低于常規(guī)意義上的煙氣酸露點(diǎn)[9]；杜京武等人通過熱力分析計(jì)算認(rèn)為翅片管省煤器存在的吸熱量過大、汽溫偏低、熱風(fēng)溫度下降等問題[10]。

某發(fā)電公司600 MW超臨界火電機(jī)組的低低溫省煤器結(jié)構(gòu)為模塊化方翅片管結(jié)構(gòu)，管子材質(zhì)為耐硫酸露點(diǎn)的ND鋼，該鋼種被普遍認(rèn)為是國(guó)內(nèi)最理想的耐硫酸低溫腐蝕用鋼材，且廣泛應(yīng)用于制造在高含硫煙氣中服役的省煤器、空氣預(yù)熱器、熱交換器和蒸發(fā)器等裝置設(shè)備[11]。該電廠的低低溫省煤器累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約為16 640 h便出現(xiàn)泄漏狀況。為了探究其泄漏原因，對(duì)取樣管的宏觀形貌、化學(xué)成分、金相組織微觀形貌和表面垢樣的化學(xué)組成方面進(jìn)行了綜合分析，探究了600 MW超臨界火電機(jī)組低低溫省煤器的失效機(jī)理和失效類型，為國(guó)內(nèi)同類型鍋爐分析類似失效狀況提供理論依據(jù)。

1 研究對(duì)象概況

由某電廠提供的材質(zhì)為ND鋼(即09CrCuSb)的低低溫省煤器泄漏管段規(guī)格為Φ38×4 mm，該管段所在部件累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約為16 640 h，該部件所在機(jī)組于小修期間曾使用消防水進(jìn)行沖洗，小修后啟爐運(yùn)行3個(gè)月后發(fā)現(xiàn)煙道滴水情況，割除煙道側(cè)部封板后發(fā)現(xiàn)彎頭部分漏水，同時(shí)側(cè)部封板內(nèi)積灰嚴(yán)重，管道表層存在剝落現(xiàn)象并可見一處明顯泄漏點(diǎn)，泄漏管段現(xiàn)場(chǎng)宏觀形貌如圖1所示，共計(jì)發(fā)現(xiàn)9處泄漏點(diǎn)，均位于煙道外部側(cè)封板內(nèi)彎頭部位，具體位置如圖2及表1所示。

圖1 泄漏管段現(xiàn)場(chǎng)宏觀形貌

圖2 低低溫省煤器堵漏位置示意圖

表1 泄漏點(diǎn)位置管道編號(hào)

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 宏觀形貌分析

低低溫省煤器泄漏管段樣品宏觀形貌如圖3所示，該管段為低低溫省煤器冷段上第7層第2根彎管。針對(duì)該管段進(jìn)行管徑及壁厚測(cè)量，未發(fā)現(xiàn)明顯脹粗及減薄現(xiàn)象。由圖3(a)及圖3(b)可知，送檢管段的外表面呈現(xiàn)大面積均勻的凹凸不平，同時(shí)存在兩處直徑約為3mm的宏觀泄漏點(diǎn)；從圖3(c)中可觀察到泄漏點(diǎn)凹坑由外壁向內(nèi)壁發(fā)展呈現(xiàn)坑穴狀，此類凹坑為管壁受腐蝕后形成的腐蝕坑，該形貌為典型的坑蝕穿孔[11]；剖開泄漏處管道，從管子內(nèi)表面觀察泄漏點(diǎn)，宏觀呈現(xiàn)為一圓形孔洞(見圖3(d))，圓孔周圍內(nèi)壁形貌相對(duì)光滑但存在銹色附著物。

2.2 化學(xué)成分分析

從樣品彎管上切取塊狀試樣，采用美國(guó)熱電型號(hào)為ARL8860的臺(tái)式直讀光譜儀對(duì)其所含主要合金元素進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果見表2，各化學(xué)元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求[12]。

圖3 低低溫省煤器泄漏管段宏觀形貌

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果

2.3 金相檢驗(yàn)

對(duì)圖4所示樣品，采用德國(guó)徠卡型號(hào)為DMI5000M的金相顯微鏡進(jìn)行金相顯微組織分析。圖5、圖6為圖4中1號(hào)、3號(hào)位置的金相組織照片，每個(gè)位置分別觀察了管外壁、管壁厚中部、管內(nèi)壁?？梢钥吹?號(hào)位置外壁、中部及內(nèi)壁顯微組織均為鐵素體加珠光體加碳化物，外壁組織中存在明顯的腐蝕坑、孔洞及沿晶微裂紋，中部及內(nèi)壁組織中碳化物在晶界處聚集長(zhǎng)大、粗化，局部呈鏈狀或條狀分布。3號(hào)位置外壁、中部及內(nèi)壁組織均為鐵素體加珠光體加碳化物，碳化物明顯在晶界處聚集長(zhǎng)大、粗化。

圖4 低低溫省煤器失效管段試樣

圖5 1號(hào)位置顯微組織照片

圖6 3號(hào)位置顯微組織照片

2.4 掃描電鏡檢驗(yàn)

對(duì)圖3(c)所示樣品的孔洞處采用泰思肯型號(hào)為TESCAN VEGA3 LM的掃描電子顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，由圖7(a)可見凹坑邊緣分布著許多沿晶微裂紋，圖7(b)中則可觀察到孔洞凹坑周圍附著了較多的腐蝕產(chǎn)物。

圖7 孔洞部位掃描電鏡形貌

2.5 X射線衍射分析(XRD)

為確定腐蝕產(chǎn)物的具體成分，對(duì)低低溫省煤器管壁的腐蝕產(chǎn)物取樣，并采用日本理學(xué)型號(hào)為Smartlab(3 kW)的X射線衍射儀進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示。從低低溫省煤器管壁腐蝕產(chǎn)物的XRD檢測(cè)結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物物相構(gòu)成主要為Fe、Cu、Cr、Sb元素的硫化物及氧化物，由此可初步判定該取樣管的腐蝕是由硫酸腐蝕所引起的。

圖8 低低溫省煤器表面腐蝕產(chǎn)物的XRD分析

3 分析探討

在現(xiàn)場(chǎng)檢查中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生泄漏的低低溫省煤器管段表面積灰嚴(yán)重，管道表層存在剝落現(xiàn)象，并可見一處明顯泄漏點(diǎn)。取樣管未發(fā)現(xiàn)明顯脹粗及管壁減薄現(xiàn)象，外壁大面積呈現(xiàn)均勻的凹凸不平，同時(shí)存在2處直徑約為3 mm的坑蝕穿孔泄漏點(diǎn)。宏觀形貌檢查結(jié)果表明，取樣管段具有明顯的低溫腐蝕特征[13]。

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，泄漏側(cè)及泄漏對(duì)側(cè)的金相組織為鐵素體加珠光體加碳化物，碳化物明顯在晶界處聚集、長(zhǎng)大、粗化，結(jié)合掃描電鏡孔洞部位形貌特征可見泄漏點(diǎn)周圍分布著大量的沿晶微裂紋及腐蝕產(chǎn)物。XRD分析結(jié)果表明，泄漏點(diǎn)周圍腐蝕產(chǎn)物主要由Fe、Cu、Cr、Sb元素的硫化物及氧化物構(gòu)成，由此可初步判定該取樣管的腐蝕是由硫酸腐蝕所引起的[14]。結(jié)合該省煤器為模塊化方翅片管結(jié)構(gòu)，容易造成省煤器煙氣下游某些部位溫度偏低，當(dāng)含有SO2、SO3和CO2的高溫?zé)煔庥龅綔囟鹊陀跓煔饴饵c(diǎn)(煙氣中酸蒸氣的凝結(jié)溫度)的部件(省煤器、空氣預(yù)熱器)時(shí)，部件表面凝結(jié)的水膜與SO2、SO3和CO2會(huì)結(jié)合形成酸性溶液對(duì)管壁進(jìn)行復(fù)雜的動(dòng)態(tài)腐蝕過程[15]，進(jìn)而導(dǎo)致金屬產(chǎn)生均勻性低溫腐蝕直至泄漏失效。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合低低溫省煤器現(xiàn)場(chǎng)泄漏情況以及對(duì)取樣管的宏觀形貌分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡檢驗(yàn)、X射線衍射檢驗(yàn)，對(duì)某電廠600 MW超臨界火電機(jī)組低低溫省煤器泄漏原因進(jìn)行了深入研究，分析結(jié)論和建議如下。

1)取樣管的化學(xué)成分完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ND鋼的要求，材料不存在相關(guān)缺陷；宏觀形貌及現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果呈現(xiàn)明顯的低溫腐蝕特征，結(jié)合顯微組織及X射線衍射分析結(jié)果,可初步判斷取樣管的失效機(jī)理為腐蝕失效，失效類型為煙氣側(cè)低溫腐蝕。

2)建議采取相關(guān)技術(shù)措施使尾部煙道受熱面金屬壁溫保持在硫酸露點(diǎn)腐蝕溫度之上，才能從根源上控制低溫腐蝕現(xiàn)象。