立式余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器流動(dòng)加速腐蝕失效分析及處理

陳金國(guó)

摘 要：對(duì)低壓蒸發(fā)器流動(dòng)加速腐蝕后泄漏的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出流動(dòng)加速腐蝕后泄漏的處理對(duì)策。結(jié)果表明，4臺(tái)余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器換管后，未再發(fā)生低壓蒸發(fā)器出口集箱處彎頭異常泄漏的事件;同時(shí)，對(duì)更換后的低壓蒸發(fā)器管子進(jìn)行壁厚測(cè)量檢查，也未再發(fā)現(xiàn)管子壁厚減薄的現(xiàn)象，說(shuō)明處理措施取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：立式余熱鍋爐;低壓蒸發(fā)器;流動(dòng)加速腐蝕

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）29-0039-03

Analysis and Treatment of Flow Accelerated Corrosion Failure of

Low Pressure Evaporator of Vertical Waste Heat Boiler

CHEN Jinguo

（China Shipping Fujian Gas Power Generation Co.， Ltd.， Putian Fujian 351100）

Abstract： The causes of leakage after flow accelerated corrosion of low-pressure evaporator are analyzed in detail， and the treatment countermeasures of leakage after flow accelerated corrosion are put forward. The results show that after the tubes of the low-pressure evaporators of the four waste heat boilers were changed， the abnormal leakage of the elbow at the outlet header of the low-pressure evaporator never occurred again; At the same time， the wall thickness of the replaced low-pressure evaporator pipe was measured and checked， and the phenomenon of pipe wall thickness thinning was not found again， and good results were achieved.

Keywords： vertical waste heat boiler;low pressure evaporator;flow accelerated corrosion

1 工程概況

某電廠一期建設(shè)4×350 MW的M701F燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，采用單軸一拖一布置，余熱鍋爐選用無(wú)錫華光鍋爐股份有限公司引進(jìn)比利時(shí)CMI公司技術(shù)生產(chǎn)的立式余熱鍋爐，為三壓再熱、無(wú)補(bǔ)燃的立式自然循環(huán)鍋爐，余熱鍋爐主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

4臺(tái)余熱鍋爐分別于2008年和2010年陸續(xù)投運(yùn)。從2014年開(kāi)始，幾臺(tái)余熱鍋爐在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)煙囪頂部排放口有白色水汽冒出的現(xiàn)象，且余熱鍋爐24 m層爐膛前部?jī)?nèi)有泄漏聲，同時(shí)低壓汽包水位下降異常。經(jīng)停機(jī)后檢查，發(fā)現(xiàn)低壓蒸發(fā)器模塊出口聯(lián)箱靠近左右爐墻兩側(cè)非鰭片管的彎頭陸續(xù)出現(xiàn)沖刷減薄破裂現(xiàn)象，造成機(jī)組停爐檢修。為防止機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，從受熱面煙氣流道、水循環(huán)、管材、運(yùn)行工況等方面排查原因，并采取相應(yīng)措施處理，避免了低壓蒸發(fā)器模塊泄漏問(wèn)題。

2 低壓蒸發(fā)器模塊簡(jiǎn)述

低壓蒸發(fā)器模塊布置如圖1所示。蒸發(fā)器進(jìn)口、出口集箱均布置于爐前側(cè)，在爐后側(cè)集箱區(qū)鰭片管用U形非鰭片管的彎管連接;在煙氣流動(dòng)的受熱面部位采用螺旋鰭片管，集箱區(qū)的受熱面部位采用非鰭片管的光管設(shè)計(jì);低壓汽包的下降管直接引入低壓蒸發(fā)器入口集箱上，爐水經(jīng)低壓蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱后通過(guò)出口集箱和上升管進(jìn)入低壓汽包。在煙氣側(cè)，煙氣流經(jīng)低壓蒸發(fā)器后再經(jīng)過(guò)低壓省煤器（預(yù)熱器）排向煙囪。

在爐左右方向上，低壓蒸發(fā)器受熱面又分為左、中、右3個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)上下共5排管，每排管33根，每個(gè)區(qū)共165根管，3個(gè)區(qū)共495根管。

3 低壓蒸發(fā)器受熱面管減薄失效情況

2014年7月，#3余熱鍋爐停爐后發(fā)現(xiàn)低壓汽包水位下降較快，下降速度為150 mm/h，超出正常速度。經(jīng)冷卻后，進(jìn)入余熱鍋爐受熱面內(nèi)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)接入低壓蒸發(fā)器出口聯(lián)箱第5排爐右側(cè)第一根管的彎頭穿孔，穿孔尺寸長(zhǎng)15 mm、寬4 mm，彎頭穿孔減薄從內(nèi)向外，外壁無(wú)磨損腐蝕現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。

對(duì)低壓蒸發(fā)器入口集箱和出口集箱的水平非鰭片管段、90°彎頭部位進(jìn)行測(cè)厚，水平非鰭片管段、入口集箱90°彎頭及爐后U形彎管的壁厚均未發(fā)生減薄，而出口集箱90°彎頭的壁厚存在不同程度的減薄，管子的壁厚由4 mm減薄到2.5 mm以下，最薄處僅為1.4 mm。之后，利用停機(jī)時(shí)間對(duì)其他3臺(tái)余熱鍋爐的相同部位進(jìn)行測(cè)厚檢查，均發(fā)現(xiàn)存在不同程度的減薄現(xiàn)象。

4 減薄失效原因分析

流動(dòng)加速腐蝕（Flow Accelerated Corrosion，F(xiàn)AC）是一種化學(xué)溶解質(zhì)量傳遞控制的電化學(xué)腐蝕過(guò)程。聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐受熱面減薄失效的主要原因?yàn)榱鲃?dòng)加速腐蝕，而影響流動(dòng)加速腐蝕的主要因素有金屬材料、介質(zhì)環(huán)境和爐水參數(shù)。流動(dòng)加速腐蝕容易發(fā)生的部位主要是強(qiáng)還原環(huán)境下紊流區(qū)的管道三通、彎頭、變徑管連接處，由于受熱面內(nèi)的流通介質(zhì)為單相或氣液兩相。低壓蒸發(fā)器彎管減薄由內(nèi)壁沖刷引起，出口彎管管內(nèi)處于汽水混合的紊流區(qū)。結(jié)合運(yùn)行工況特點(diǎn)，判斷低壓蒸發(fā)器減薄是由流動(dòng)加速腐蝕（FAC）引起的[1]。

4.1 低壓蒸發(fā)器運(yùn)行工況

第一，設(shè)計(jì)額定負(fù)荷下，低壓蒸發(fā)器煙氣側(cè)入口煙氣溫度約為193 ℃，汽水側(cè)蒸發(fā)器出口聯(lián)箱內(nèi)水溫約為154.7 ℃。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，低壓蒸發(fā)器內(nèi)實(shí)際運(yùn)行溫度約為160 ℃，管子材質(zhì)為SA210-A1碳鋼，碳鋼內(nèi)表面的保護(hù)性氧化膜FeO正處于水中溶解度最大的溫度區(qū)，F(xiàn)eO會(huì)溶解于液相或汽液兩相的介質(zhì)中;同時(shí)，低壓蒸發(fā)器泄漏點(diǎn)正好處于汽液兩相混流區(qū)，容易形成流動(dòng)加速腐蝕易發(fā)區(qū)，加快FeO的電化學(xué)腐蝕，從而促進(jìn)低壓蒸發(fā)器管子彎頭處局部腐蝕的發(fā)展[1]。

第二，低壓蒸發(fā)器出口管內(nèi)介質(zhì)為汽水混合物，設(shè)計(jì)工況下汽水混合物流速為11.5 m/s，屬于紊流區(qū)。由于低壓蒸發(fā)器汽水混合物平均流速為11.5 m/s，所以其出口的流速比設(shè)計(jì)工況下汽水混合物平均流速更高，管內(nèi)的流速高，汽液兩相變化的過(guò)程會(huì)更劇烈，湍流程度高，加快了流動(dòng)加速腐蝕的速度，從而使低壓蒸發(fā)器出口集箱彎頭處部位的壁厚減薄[2]。

第三，低壓汽包內(nèi)的水處理屬于全揮發(fā)性處理，通過(guò)加聯(lián)氨除氧、加氨調(diào)節(jié)pH，導(dǎo)致低壓蒸發(fā)器內(nèi)水的含氧量較低，小于1 μg/L。由于低壓蒸發(fā)器進(jìn)口集箱入口直接連接到低壓汽包的下降管上，低壓蒸發(fā)器的實(shí)際進(jìn)水為低壓爐水，低壓爐水的溶解氧常年低于1 μg/L，低壓蒸發(fā)器內(nèi)的水汽基本不含溶解氧，這為低壓蒸發(fā)器管內(nèi)的流動(dòng)加速腐蝕提供了氧化-還原電位小于0的環(huán)境，加劇了流動(dòng)加速腐蝕。經(jīng)對(duì)比可知，余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器模塊煙氣側(cè)和汽水側(cè)的運(yùn)行參數(shù)和設(shè)計(jì)相符，未見(jiàn)異常，爐水pH、含氧量在正常范圍內(nèi)，可以排除運(yùn)行參數(shù)異常引起的受熱面管損傷[3]。

第四，因機(jī)組為調(diào)峰機(jī)組，采用兩班制運(yùn)行方式，余熱鍋爐經(jīng)常啟停，低壓汽包內(nèi)壓力在啟停階段波動(dòng)劇烈，蒸發(fā)器會(huì)經(jīng)歷較多從啟動(dòng)到停爐的各種過(guò)渡工況，形成汽液兩相混合流，為低壓蒸發(fā)器流動(dòng)加快腐蝕提供必要條件。

4.2 低壓蒸發(fā)器彎管規(guī)格材質(zhì)及減薄特點(diǎn)

低壓蒸發(fā)器出口聯(lián)箱前彎頭設(shè)計(jì)材質(zhì)和規(guī)格與低壓蒸發(fā)器管子一致，規(guī)格為Φ38 mm×4 mm的SA210-A1碳鋼。SA210-A1碳鋼相當(dāng)于目前國(guó)內(nèi)的#20鍋爐鋼，是鐵素體+珠光體的復(fù)合金屬材料，也是一種非合金材料，不具有耐腐蝕性。在火力發(fā)電廠中，金屬材料發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕由許多因素引起，其中金屬材料本身的選型是決定流動(dòng)加速腐蝕快慢的主要因素之一。由于碳鋼內(nèi)表面的保護(hù)性氧化膜為FeO，受管內(nèi)液相或汽液兩相介質(zhì)環(huán)境因素影響，碳鋼材料管子內(nèi)壁的Fe元素和O元素更容易發(fā)生流失。在這個(gè)過(guò)程中，逐漸減少或消除保護(hù)性氧化層FeO，引起管子金屬壁厚局部流動(dòng)腐蝕，從而導(dǎo)致壁厚減薄[4]。

低壓蒸發(fā)器管子泄漏點(diǎn)和管子減薄區(qū)域分布在低壓蒸發(fā)器與出口集箱相連接的90°彎頭處，壁厚減薄最大處均靠近余熱鍋爐左右兩側(cè)墻的區(qū)域。蒸發(fā)器與入口集箱的管子無(wú)壁厚減薄現(xiàn)象，檢查蒸發(fā)器與出口集箱連接管子的彎頭外壁，發(fā)現(xiàn)無(wú)明顯磨損減薄。對(duì)泄漏點(diǎn)的金屬材質(zhì)進(jìn)行取樣分析，發(fā)現(xiàn)金相組織無(wú)變化。低壓蒸發(fā)器出口鰭片管和出口集箱之間的非鰭片管與低壓蒸發(fā)器出口集箱區(qū)煙氣重新再次換熱，汽液兩相混合紊流區(qū)加劇，且該處的實(shí)際運(yùn)行流速大于設(shè)計(jì)平均流速11.5 m/s，湍流程度高，特別是在90°彎頭區(qū)域，汽液兩相交集變化大，湍流程度更高，容易形成流動(dòng)加速腐蝕[2]。

4.3 集箱區(qū)的密封板密封和間隙變化

機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)和膨脹導(dǎo)致密封板固定點(diǎn)松動(dòng)和密封板之間卡澀錯(cuò)位，低壓蒸發(fā)器集箱區(qū)四周的密封板之間密封不嚴(yán)，引起下部高溫區(qū)的煙氣通過(guò)密封板間隙直接流入低壓蒸發(fā)器集箱區(qū)。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，該區(qū)域的實(shí)際煙氣溫度大于設(shè)計(jì)工況的溫度，容易引起低壓蒸發(fā)器出口非鰭片管內(nèi)介質(zhì)的汽液兩相變化程度更劇烈、湍流程度增加、流動(dòng)加速腐蝕加劇[2]。

低壓蒸發(fā)器集箱區(qū)兩側(cè)受熱面管與鍋爐側(cè)墻保溫內(nèi)襯板的間隙過(guò)大，增加了附件管束的煙氣流速，導(dǎo)致低壓蒸發(fā)器集箱區(qū)兩側(cè)的非鰭片管蒸發(fā)量增加，管內(nèi)湍流度增加、流動(dòng)加速腐蝕加劇，兩側(cè)的管子內(nèi)壁流動(dòng)加速腐蝕更為嚴(yán)重，這與實(shí)際測(cè)量結(jié)果管子彎頭處的減薄量最大分布在爐墻兩側(cè)相吻合[5]。

5 處理對(duì)策及效果

5.1 處置對(duì)策

第一，根據(jù)測(cè)量的壁厚數(shù)據(jù)，爐后側(cè)的U形彎管部位未見(jiàn)明顯減薄，減薄點(diǎn)均位于爐前集箱區(qū)的彎管部位，且FAC對(duì)直管段影響較小。因此，利用各臺(tái)機(jī)組檢修間隙，將爐前出口集箱區(qū)的低壓蒸發(fā)器鰭片管至出口集箱的非鰭片管的495根管子全部割除更換。

第二，低壓蒸發(fā)器鰭片管和非鰭片管原設(shè)計(jì)材質(zhì)為SA210-A1，屬于常規(guī)#20碳鋼，不耐沖刷腐蝕。由于Cr的溶解度比鐵的溶解度低，選擇Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以上的合金材料，Cr與Fe元素反應(yīng)形成溶解度更低的保護(hù)層，可以降低Fe2+的向外擴(kuò)散流失，并大大降低流動(dòng)加速腐蝕的速率。所以，在整體割除低壓蒸發(fā)器出口集箱區(qū)鰭片管至出口集箱的非鰭片管后，更換新管材質(zhì)選擇15CrMoG，管子規(guī)格保持Φ38 mm×4 mm不變。

第三，低壓蒸發(fā)器爐前集箱區(qū)上下部分密封板全部拆除，重新校正安裝;檢查受熱面鰭片管與鍋爐側(cè)墻保溫內(nèi)襯板間的間隙，對(duì)間隙超過(guò)設(shè)計(jì)值的地方加焊煙氣密封板，防止形成煙氣走廊。

第四，機(jī)組運(yùn)行中低壓汽包爐水加入聯(lián)氨，控制爐水中含氧量在標(biāo)準(zhǔn)要求值7 μg/L的上限，以便減輕FAC影響。

第五，更換低壓蒸發(fā)器與出口集箱5排共計(jì)495根管段，考慮對(duì)口和焊接時(shí)的操作便利和焊口的質(zhì)量，在割除低壓蒸發(fā)器出口鰭片管與出口集箱連接的水平光管和90°彎頭時(shí)，每排切割位置從上到下相互錯(cuò)開(kāi)，出口集箱承插接管離集箱50 mm處切除。依次從下排到上排更換管段，每焊接完一排就安排射線探傷，以便探傷后不合格焊口的返工。

5.2 效果

通過(guò)以上對(duì)策的實(shí)施，4臺(tái)余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器換管后，未再發(fā)生低壓蒸發(fā)器出口集箱處彎頭異常泄漏的事件;同時(shí)，結(jié)合每次余熱鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)，對(duì)更換后的低壓蒸發(fā)器管子進(jìn)行壁厚測(cè)量檢查，也未再發(fā)現(xiàn)管子壁厚減薄的現(xiàn)象，取得了較好的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

①在余熱鍋爐設(shè)計(jì)中，除了考慮受熱面管子的材料強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮實(shí)際運(yùn)行中管子內(nèi)介質(zhì)對(duì)流動(dòng)加速腐蝕的影響，盡可能將存在流動(dòng)加速腐蝕現(xiàn)象的區(qū)域的管子材料設(shè)計(jì)為低壓合金材料，延緩流動(dòng)加速腐蝕對(duì)管子的影響。

②利用機(jī)組檢修窗口期，加強(qiáng)對(duì)易發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕的管段壁厚的測(cè)量和比對(duì)。

③在進(jìn)行低壓汽包補(bǔ)水時(shí)，應(yīng)維持低壓汽包壓力穩(wěn)定，避免低壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)劇烈，減緩低壓蒸發(fā)器系統(tǒng)的流動(dòng)加速腐蝕;同時(shí)要維持低壓汽包爐水pH在9.5左右。

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