某鍋爐對(duì)流管泄漏失效分析

(1. 嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程分院，嘉興 314031； 2. 浙江國檢檢測技術(shù)股份有限公司，海鹽 314300)

鍋爐對(duì)流管束又稱為對(duì)流排管, 是鍋爐的對(duì)流受熱面，位于上下鍋筒之間，一般由直徑38～51 mm的鍋爐鋼管制成。作為鍋爐水循環(huán)的上升部分，其作用是增加鍋爐受熱面，吸收高溫?zé)煔馔ㄟ^對(duì)流方式放出的熱量，進(jìn)一步提高鍋爐效率[1]。但因受運(yùn)行環(huán)境惡劣、除氧工藝不完善、日常運(yùn)維不善等因素影響，鍋爐及其附屬管道的氧腐蝕現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，從而對(duì)蒸汽鍋爐運(yùn)行效率、使用壽命和運(yùn)行安全產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅[2-3]。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)蒸汽鍋爐運(yùn)行的監(jiān)控與維護(hù)，探討合理可行的預(yù)防措施。

某電熱公司鍋爐于2015年3月起用，同年8月即發(fā)現(xiàn)鍋爐內(nèi)對(duì)流管出現(xiàn)泄漏的現(xiàn)象。目前，泄漏的情況較為嚴(yán)重，已有超過30根對(duì)流管出現(xiàn)泄漏，泄漏位置主要集中于上下鍋筒之間對(duì)流管束的中下部。分別對(duì)對(duì)流管表面腐蝕區(qū)域進(jìn)行宏、微觀形貌分析，金相分析，力學(xué)性能分析和化學(xué)成分分析等多種材料學(xué)分析手段，并結(jié)合鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況，分析了該對(duì)流管束腐蝕泄漏失效的原因，并提出相應(yīng)的對(duì)策。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀腐蝕形貌分析

從發(fā)生泄漏的鍋爐對(duì)流管處截取4段無縫鋼管管段，分別標(biāo)記1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)試樣。對(duì)其中的2號(hào)、4號(hào)試樣進(jìn)行重點(diǎn)分析。圖1為2號(hào)試樣的宏觀腐蝕形貌，可見其外表面銹蝕嚴(yán)重。將2號(hào)試樣剖開，可見其內(nèi)壁呈磚紅色，且存在腐蝕坑，但未發(fā)現(xiàn)水垢附著，腐蝕坑直徑約為2.5 cm，腐蝕坑內(nèi)被一層帶光澤的黑色硬膜覆蓋，如圖2所示。圖3為4號(hào)試樣的宏觀腐蝕形貌，其內(nèi)壁同樣嚴(yán)重銹蝕，腐蝕坑直徑約為2 cm，腐蝕坑邊緣也被一層隆起的黑色硬膜覆蓋。

圖1 2號(hào)試樣外表面的宏觀腐蝕形貌Fig. 1 Macroscopic corrosion morphology of outer surface of sample No. 2

圖2 2號(hào)試樣內(nèi)壁的宏觀腐蝕形貌Fig. 2 Macroscopic corrosion morphology of inner wall of sample No. 2

圖3 4號(hào)試樣內(nèi)壁的宏觀腐蝕形貌Fig. 3 Macroscopic corrosion morphology of inner wall of sample No. 4

1.2 微觀腐蝕形貌分析

對(duì)泄漏對(duì)流管試樣進(jìn)行微觀腐蝕形貌分析。圖4為2號(hào)試樣腐蝕坑內(nèi)黑色硬膜的SEM形貌，可見該硬膜表面平整光滑，并存在龜裂紋。對(duì)該黑色硬膜進(jìn)行能譜(EDS)分析，結(jié)果列于表1中。由表1可見，除基體元素Fe外，該黑色硬膜含有大量的O元素與少量的S元素。

圖5為2號(hào)試樣腐蝕坑底部未覆蓋黑色硬膜處的SEM形貌，可見該處呈多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。對(duì)蜂窩狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果也列于表1中。結(jié)果表明，蜂窩狀結(jié)構(gòu)除基體Fe元素外，存在大量的O元素與少量的Si、P、S、Cl等元素。

圖4 2號(hào)試樣腐蝕坑底部黑色硬膜的SEM形貌Fig. 4 SEM morphology of black hard film at the bottom of pit in sample No. 2

表1 2號(hào)試樣腐蝕坑底部不同區(qū)域的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
Tab. 1 EDS analysis results of different zones at the bottom of pit in sample No. 2 (mass fraction) %

試樣OSFeSiPCl黑色硬膜40.80.358.9---蜂窩狀結(jié)構(gòu)18.10.779.50.80.60.3

圖5 2號(hào)試樣腐蝕坑底部未覆蓋黑色硬膜處的SEM形貌Fig. 5 SEM morphology of the bottom of pit uncovered by black hard film in sample No. 2

圖6為4號(hào)試樣腐蝕坑邊緣黑色硬膜的SEM形貌，黑色硬膜表面平整光滑，并存在網(wǎng)狀裂紋。對(duì)黑色硬膜進(jìn)行能譜分析，結(jié)果列于表2。由表2可見，除了基體元素Fe外，該物質(zhì)含有大量的O元素與少量的S、P元素。

圖7為4號(hào)試樣腐蝕坑底部的SEM形貌，可見此處呈多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。對(duì)這些蜂窩狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果列于表2。結(jié)果表明，腐蝕坑底部蜂窩狀結(jié)構(gòu)中除Fe元素外，還存在大量的O元素與少量的S、Al、Si、Cl元素。

1.3 金相分析

圖8為2號(hào)試樣腐蝕坑底部的顯微組織。結(jié)果表明，腐蝕坑底部的顯微組織為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，腐蝕面較為平整，未發(fā)現(xiàn)沿晶腐蝕現(xiàn)象。

圖6 4號(hào)試樣腐蝕坑邊緣黑色硬膜的SEM形貌Fig. 6 SEM morphology of black hard film at the edge of pit in sample No. 4

表2 4號(hào)試樣腐蝕坑不同區(qū)域的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
Tab. 2 EDS analysis results of different zones of pit in sample No. 4 (mass fraction) %

試樣OSFeSiPClAl黑色硬膜22.00.976.6-0.6--蜂窩狀結(jié)構(gòu)9.10.788.40.4-0.21.3

圖7 4號(hào)試樣腐蝕坑底部的SEM形貌Fig. 7 SEM morphology of the bottom of pit in sample No. 4

圖9為2號(hào)試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物情況。根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，判定2號(hào)試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物為D類球狀氧化物2級(jí)。

圖10為4號(hào)試樣腐蝕坑底部的顯微組織，可見腐蝕面較為平整，未發(fā)現(xiàn)沿晶腐蝕現(xiàn)象，顯微組織為鐵素體+珠光體。

圖11為4號(hào)試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物情況。根據(jù)GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，判定4號(hào)試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物為A類硫化物(細(xì)系)1級(jí)，A類硫化物(粗系)1級(jí)，D類球狀氧化物(細(xì)系)0.5級(jí)。

(a) 低倍

(b) 高倍圖8 2號(hào)試樣腐蝕坑底部的顯微組織Fig. 8 Microstructure of the bottom of pit in sample No. 2: (a) at low magnification; (b) at high magnification

圖9 2號(hào)試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物Fig. 9 Nonmetallic inclusions at the bottom of pit in sample No. 2

1.4 化學(xué)成分分析

失效對(duì)流管所用材料為20號(hào)鋼。分別對(duì)失效對(duì)流管的2號(hào)試樣與4號(hào)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表3所示?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果表明，2號(hào)試樣與4號(hào)試樣的化學(xué)成分均符合GB/T 5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于20號(hào)鋼管化學(xué)成分的規(guī)定。

1.5 力學(xué)性能測試

對(duì)2號(hào)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，其力學(xué)性能均符合GB/T 5310-2008標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于20號(hào)鋼管交貨狀態(tài)的力學(xué)性能要求。

(a) 低倍

(b) 高倍圖10 4號(hào)試樣腐蝕坑底部的顯微組織Fig. 10 Microstructure of the bottom of pit in sample No.4: (a) at low magnification; (b) at high magnification

圖11 4號(hào)試樣腐蝕坑底部非金屬夾雜物Fig. 11 Nonmetallic inclusions at the bottom of pit in sample No. 4

2 失效原因分析

在鍋爐對(duì)流管試樣顯微組織、非金屬夾雜物、化學(xué)成分、力學(xué)性能等項(xiàng)目檢測中，均未發(fā)現(xiàn)明顯異常情況。試樣內(nèi)壁缺陷處宏觀形貌顯示，內(nèi)壁呈磚紅色，未發(fā)現(xiàn)水垢附著，缺陷形態(tài)均為單一的腐蝕坑，腐蝕范圍較大，腐蝕坑直徑達(dá)2～2.5 cm，坑內(nèi)覆蓋著一層帶光澤的黑色硬膜，坑底因腐蝕嚴(yán)重而出現(xiàn)穿孔，呈現(xiàn)溶解氧腐蝕引起的潰瘍腐蝕特征。

腐蝕坑內(nèi)被一層黑色硬膜覆蓋，經(jīng)能譜分析，該物質(zhì)含有大量的O元素與少量的P、S、Cl等元素；腐蝕坑底部未覆蓋黑色硬膜處呈多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)能譜分析，該區(qū)域含有大量的O元素與少量的S、Cl等元素。

表3 2號(hào)試樣與4號(hào)試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 3 Chemical composition of sample No. 2 and sample No. 4 (mass fraction) %

表4 2號(hào)試樣的力學(xué)性能Tab. 4 Mechanical properties of sample No. 2

氧腐蝕是鍋爐系統(tǒng)最為普遍、最為嚴(yán)重的一種腐蝕，在運(yùn)行和停運(yùn)期間均可發(fā)生[4-5],而且在一定條件下其腐蝕速率極快。綜合腐蝕坑形貌與能譜分析結(jié)果可推斷，對(duì)流管的失效模式為氧腐蝕。對(duì)流管在輸送蒸汽過程中發(fā)生的是化學(xué)腐蝕反應(yīng)，化學(xué)腐蝕反應(yīng)均勻且緩慢。但如果設(shè)備是間歇運(yùn)行的，那么水汽冷凝后將會(huì)在管道下部滯留。此時(shí)，如果冷凝水中存在溶解氧，管道就會(huì)發(fā)生快速、不均勻的電化學(xué)腐蝕，在管道內(nèi)壁形成腐蝕點(diǎn)，當(dāng)冷凝水中存在腐蝕性離子(氯、硫酸根等)時(shí)，腐蝕點(diǎn)處會(huì)吸附這些離子，導(dǎo)致周圍鈍化膜破壞，加速電化學(xué)腐蝕，使腐蝕點(diǎn)變深、變大，形成潰瘍坑，最后形成貫穿性孔洞，導(dǎo)致蒸汽泄漏。

3 結(jié)論與建議

引起對(duì)流管泄漏的主要原因是管道在冷凝水中發(fā)生氧腐蝕穿孔，冷凝水中存在腐蝕性離子(氯、硫酸根等)時(shí)，腐蝕點(diǎn)處會(huì)吸附這些離子，導(dǎo)致周圍鈍化膜破壞，加速電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致腐蝕點(diǎn)變深、變大，形成潰瘍坑，最后形成貫穿性孔洞，導(dǎo)致蒸汽泄漏。

根據(jù)以上腐蝕原因分析，提出以下建議：

(1) 增加除氧設(shè)備或化學(xué)除氧，加強(qiáng)鍋爐給水的除氧工作[6]。氧是鍋爐給水系統(tǒng)的主要腐蝕性物質(zhì)，給水系統(tǒng)中的氧應(yīng)當(dāng)迅速得到清除，否則它會(huì)腐蝕鍋爐的給水系統(tǒng)和部件，腐蝕產(chǎn)物氧化鐵會(huì)進(jìn)入鍋爐內(nèi)，沉積或附著在鍋爐管壁和受熱面上，形成難溶且傳熱不良的鐵垢，腐蝕產(chǎn)生的鐵垢會(huì)造成管道內(nèi)壁的點(diǎn)坑和阻力系數(shù)增大。管道腐蝕嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)l(fā)生管道爆炸事故。

(2) 控制腐蝕性離子，尤其是氯離子含量。

(3) 加強(qiáng)管理，在鍋爐停運(yùn)期間采取必要保養(yǎng)措施[7]。