燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐中壓蒸發(fā)器鰭片管泄漏原因

吳 躍

(1.中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗研究院， 合肥 230088；2.大唐鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司， 合肥 230088)

0 引 言

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐屬于熱量回收設(shè)備，可降低能源消耗，提高機組熱效率和經(jīng)濟效益，對于節(jié)能減排起著至關(guān)重要的作用[1-2]。中壓蒸發(fā)器為余熱鍋爐本體受熱面，采用模塊結(jié)構(gòu)，一般由垂直布置的順列螺旋鰭片管和進出口集箱組成。鰭片管與進出口集箱連接處的角焊縫因承受結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力以及機組頻繁啟停產(chǎn)生的交變應(yīng)力而易發(fā)生開裂，導(dǎo)致泄漏。

某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組1號余熱鍋爐于2019年1月24日停爐備用。2月12日對鍋爐上水進行啟機前準(zhǔn)備工作，發(fā)現(xiàn)爐底膨脹節(jié)及爐底保溫疏水漏水量大，初步判斷爐膛內(nèi)部發(fā)生泄漏。2月13日進爐膛檢查發(fā)現(xiàn)，IV區(qū)中壓蒸發(fā)器B模塊鰭片管存在兩處漏點：鰭片管垂直排布，第一處泄漏管為沿?zé)煔饬飨蛲飻?shù)第5排，從左往右數(shù)第2根，漏點(下文稱為上部漏點)距離上部小集箱650 mm；第二處泄漏管為沿?zé)煔饬飨蛲飻?shù)第4排，從右往左數(shù)第8根，漏點(下文稱為下部漏點)距離下部小集箱670 mm。鰭片管均為ASME SA210 A1無縫鋼管，規(guī)格為φ38 mm×2.7 mm，螺旋鰭片材料為碳鋼。將鄰近上部漏點的17根管以及鄰近下部漏點的13根管割除，對內(nèi)壁進行宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。鍋爐泄漏位置及返修割除管段示意見圖1。為了查明該鍋爐中壓蒸發(fā)器鰭片管泄漏原因，作者對第一處泄漏管(上部漏點)進行了理化檢驗和分析，并提出了相關(guān)預(yù)防措施。

圖1 中壓蒸發(fā)器泄漏位置及返修割除管段示意Fig.1 Schematic of middle pressure evaporator leakage locations and cutting tubes for repair

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

由圖2可知，失效管漏點附近內(nèi)壁表面粗糙不平，存在鼓皰狀腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物外層呈磚紅色，用刀片將其刮破，可從內(nèi)壁剝離下大量黑色粉末狀腐蝕產(chǎn)物和少量紅棕色塊狀產(chǎn)物，清除腐蝕產(chǎn)物后內(nèi)壁出現(xiàn)潰瘍狀陷坑，可見該鼓皰狀腐蝕產(chǎn)物分為兩層，包括外層磚紅色腐蝕產(chǎn)物和內(nèi)部的黑色粉末及少量紅棕色塊狀產(chǎn)物，說明鰭片管發(fā)生了典型的氧腐蝕[3-4]。另將距漏點250 mm處切開，可見管內(nèi)壁僅存在一層薄而均勻的磚紅色腐蝕產(chǎn)物。

圖2 失效鰭片管的宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of failed fin tube: (a) cross section of leakage point; (b) inner wall of tube near leakage point; (c) corrosion products stripped at position A; (d) inner wall after removal of corrosion products and (e) inner wall of the tube 250 mm away from the leakage point

1.2 顯微組織

在失效鰭片管泄漏位置及其附近內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物處分別切取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕，通過Carl Zeiss Axio Observer A1m型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖3和圖4可知：漏點及附近內(nèi)壁處存在腐蝕層，管的有效壁厚為0.95～1.40 mm，遠(yuǎn)低于2.7 mm的設(shè)計壁厚；鰭片與管外壁焊接時存在未熔合缺陷；漏點處母材組織為鐵素體+珠光體，未見老化；漏點及內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物下的組織均為鐵素體+珠光體，無脫碳現(xiàn)象和晶間微裂紋。

圖3 鰭片管漏點位置的顯微組織Fig.3 Microstructures of the leakage point of the fin tube: (a) whole; (b) outer wall; (c) inner wall and (d) base material

圖4 鰭片管漏點附近內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物及其下顯微組織Fig.4 Corrosion products on inner wall near the leakage point of the fin tube and underlyzing microstructure: (a) at low magnification and (b) at high magnification

1.3 腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分

利用蔡司sigma300型熱場掃描電鏡(SEM)附帶的能譜儀(EDS)對圖2(c)中剝離的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析。由圖5可知，該腐蝕產(chǎn)物以鐵和氧元素為主，為鐵的氧化物，此外還含有少量碳和磷，無氯等腐蝕性元素。

圖5 鰭片管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌及EDS譜Fig.5 SEM morphology (a) and EDS spectrum (b) of corrosion products on inner wall of the fin tube

1.4 腐蝕產(chǎn)物物相組成

利用布魯克D8 ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)對上述腐蝕產(chǎn)物進行物相分析。由圖6可知，該腐蝕產(chǎn)物為Fe2O3和Fe3O4的混合物。可以推斷鼓皰下的紅棕色產(chǎn)物為Fe2O3，黑色產(chǎn)物為Fe3O4[5-6]，進一步說明該中壓蒸發(fā)器鰭片管內(nèi)壁泄漏是由氧腐蝕所導(dǎo)致。

圖6 鰭片管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的XRD譜Fig.6 XRD spectrum of corrosion products on inner wall of the fin tube

1.5 溶垢性能

截取鍋爐泄漏管段及相鄰未泄漏管段進行實驗室溶垢試驗。采用95.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)除鹽水+0.5%緩蝕劑+4%鹽酸配制的清洗液對泄漏管段進行第一次清洗，將清洗液和泄漏管段水浴加熱至60 ℃，清洗30 min(即恒溫放置30 min)，該處理方式與基建期化學(xué)清洗工藝條件相同。由圖7(a)及圖7(d)可以看出，第一次清洗后，管樣內(nèi)壁的鼓皰狀腐蝕產(chǎn)物未溶解，清洗效果不明顯，而側(cè)面鰭片表面薄而均勻的腐蝕產(chǎn)物消失，露出金屬本色。將酸洗液中鹽酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至6%，清洗時間延長至40 min，進行第二次清洗，由圖7(b)可知管樣內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物亦無明顯變化。不添加緩蝕劑，采用6%鹽酸溶液對泄漏管段進行第三次清洗，清洗時間為40 min，內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物仍無明顯變化。采用與泄漏管段第一次清洗時的相同條件對未泄漏管段進行清洗，約5 min后，其內(nèi)壁處薄而均勻的腐蝕產(chǎn)物即清洗干凈。由此說明，蒸發(fā)器運行期間，鰭片管內(nèi)壁正常形成的薄而均勻的腐蝕產(chǎn)物易溶解去除，而漏點附近的鼓皰狀腐蝕產(chǎn)物很難用鹽酸溶液溶解去除。

圖7 鰭片管泄漏管段及相鄰未泄漏管段溶垢試驗結(jié)果Fig.7 Scale dissolving test results of the fin tube leaking section and adjacent unleaked tube section: (a) leaking tube section, the first cleaning; (b) leaking tube section, the second cleaning; (c) leaking tube section, the third cleaning, (d) side of leaking tube section, first cleaning and (e) unleaked tube section

2 失效原因分析

鰭片管漏點位置及腐蝕產(chǎn)物層下組織未見異常，僅漏點附近內(nèi)壁存在非正常鼓皰狀腐蝕產(chǎn)物，而距漏點250 mm處管內(nèi)壁光滑平整，僅有運行期間形成的一層薄而均勻的腐蝕產(chǎn)物，且腐蝕產(chǎn)物與金屬基體緊密結(jié)合，無分層現(xiàn)象，呈現(xiàn)出正常的受熱面管內(nèi)壁沉積狀態(tài)[7]。此外，割除的30根鰭片管內(nèi)壁亦光滑平整。說明中壓蒸發(fā)器僅個別管內(nèi)壁局部區(qū)域存在鼓皰狀腐蝕產(chǎn)物，這些區(qū)域在機組運行期間極易進一步遭受氧腐蝕發(fā)生減薄而導(dǎo)致泄漏。

該中壓蒸發(fā)器運行時煙氣側(cè)溫度為230～250 ℃，水側(cè)溫度約為220 ℃。余熱鍋爐同一受熱面接觸煙氣的溫度相對一致，不同高度區(qū)域熱負(fù)荷基本相同，因此水蒸氣中的鐵元素在蒸發(fā)器中與氧元素受熱發(fā)生反應(yīng)形成的沉積物應(yīng)為均勻狀態(tài)，即腐蝕產(chǎn)物均勻平滑，而不會在局部區(qū)域形成分層的鼓皰狀腐蝕產(chǎn)物。

發(fā)生泄漏的1號機組于2018年11月28日整套啟動，第一次點火；12月11日至18日進行168 h滿負(fù)荷試運，整套啟動僅耗時20 d。在此期間，系統(tǒng)的冷態(tài)沖洗提前開始，啟動過程中同時加強熱態(tài)沖洗和鍋爐排污工作，系統(tǒng)鐵含量較低，其中168 h滿負(fù)荷試運期間，給水中的鐵含量僅為7～11 μg·L-1，遠(yuǎn)低于DL/T 1717—2017標(biāo)準(zhǔn)要求(不高于30 μg·L-1)。另外，該鍋爐從投產(chǎn)到中壓蒸發(fā)器發(fā)生泄漏僅40余d，其中運行24 d，停備19 d。在水汽系統(tǒng)鐵含量較低、運行時間極短以及余熱鍋爐受熱面熱負(fù)荷均勻的條件下，理論上該鰭片管局部區(qū)域不會形成分層的鼓皰狀腐蝕產(chǎn)物。溶垢試驗顯示蒸發(fā)器正常運行形成的腐蝕產(chǎn)物薄而均勻，極易被鹽酸溶解去除，而漏點附近的鼓皰狀腐蝕產(chǎn)物不能通過鍋爐基建期間的化學(xué)清洗工藝(采用鹽酸溶液)去除，由此充分說明泄漏管局部區(qū)域存在的非正常鼓皰狀腐蝕產(chǎn)物是在原始制造條件下遺留的，推測是由內(nèi)壁局部區(qū)域積水導(dǎo)致管壁發(fā)生嚴(yán)重氧腐蝕所致,試運行時，該區(qū)域進一步遭受腐蝕發(fā)生減薄而最終導(dǎo)致泄漏。

3 結(jié)論及建議

(1) 該中壓蒸發(fā)器個別鰭片管局部區(qū)域在原始制造條件下已發(fā)生嚴(yán)重氧腐蝕，形成了鼓皰狀腐蝕產(chǎn)物，其無法通過鍋爐基建期間的化學(xué)酸洗溶解去除而遺留下來，在機組運行期間，該區(qū)域進一步遭受腐蝕發(fā)生減薄而最終導(dǎo)致泄漏。

(2) 建議加強中壓蒸發(fā)器模塊鰭片管的入場驗收管理，采用內(nèi)窺鏡抽查管內(nèi)壁的鼓皰狀非正常腐蝕、劃傷等原始缺陷，以防止此類泄漏事故發(fā)生。