一起余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器泄漏故障分析

袁浩，高惠華，肖申，張鵬，王春霞，姚濤

(1·華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州310030；2·湖北華電武昌熱電有限公司，湖北 武漢435000)

0 引言

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，環(huán)保要求的提高，燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組憑借其高效低耗、調(diào)節(jié)靈活、污染小等特點(diǎn)在電力行業(yè)中的地位日益提高[1]。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組也暴露出了一些問(wèn)題，如低壓蒸發(fā)器泄漏曾在多臺(tái)不同類(lèi)型的機(jī)組出現(xiàn)，影響了電站的安全運(yùn)行。本文以某185 MW燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組低壓蒸發(fā)器泄漏為例，通過(guò)多種檢測(cè)方式研究了泄漏管道的形貌與材質(zhì)性能，分析泄漏原因并提出防護(hù)措施。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)及水汽品質(zhì)

某機(jī)組低壓蒸發(fā)器上升連接管第二排第一根泄漏，泄漏點(diǎn)位于連接管彎管處，距離低壓汽包約1·2 m，處 理 后 泄 漏 量 約10 t/h。該 機(jī) 組 采 用PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)和雙壓、自然循環(huán)、臥式、無(wú)補(bǔ)燃的余熱鍋爐，露天臥式布置全懸吊結(jié)構(gòu)。余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器設(shè)計(jì)流量為33·6 t/h，出口工質(zhì)溫度164·5℃。管材分為兩種，第一排管子材質(zhì)為12Cr1MoVG型，管壁厚6 mm；第二排至第四排管材為20G/GB5310型，管壁厚5 mm。

余熱鍋爐設(shè)計(jì)最高過(guò)熱蒸汽壓力為5·909 MPa，低壓過(guò)熱蒸汽設(shè)計(jì)壓力為0·534 MPa，給水系統(tǒng)為無(wú)銅系統(tǒng)，低壓蒸發(fā)器泄漏前6個(gè)月的水汽品質(zhì)情況及控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。其中，σSC為直接電導(dǎo)率，給水與凝結(jié)水泵出口σCC(氫電導(dǎo)率)最大值超標(biāo)的原因是在線氫電導(dǎo)率表樹(shù)脂失效導(dǎo)致讀數(shù)偏大，機(jī)組供熱回水氧超標(biāo)導(dǎo)致凝結(jié)水泵出口溶解氧最大值偏高，經(jīng)過(guò)處理后指標(biāo)合格。低壓系統(tǒng)給水pH略低于DL/T 1717—2017《燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電廠化學(xué)監(jiān)督技術(shù)導(dǎo)則》中的要求范圍，其余水汽品質(zhì)指標(biāo)未長(zhǎng)時(shí)間超標(biāo)。

表1 泄漏前6個(gè)月低壓系統(tǒng)水汽品質(zhì)

2 管道檢測(cè)分析結(jié)果

2.1 管內(nèi)壁表面形態(tài)

對(duì)低壓蒸發(fā)器上升管割管取樣，剖開(kāi)后發(fā)現(xiàn)管子內(nèi)壁坑點(diǎn)密布，蝕坑大小不一，蝕坑光滑圓潤(rùn)，邊緣呈不規(guī)則曲線、馬蹄狀，內(nèi)壁表面局部有一層薄黑色物質(zhì)，如圖1所示。通過(guò)金相顯微鏡觀察管壁截面內(nèi)壁，管內(nèi)壁表面沒(méi)有氧化膜，如圖2所示。取局部管樣通過(guò)SEM及EDS檢測(cè)表面形貌與成分，由SEM可見(jiàn)管樣內(nèi)壁表面有較多球狀物質(zhì)，應(yīng)為腐蝕產(chǎn)物[2]。選取圖中四個(gè)部位使用EDS分析成分，結(jié)果顯示表面物質(zhì)成分中O元素占比約35·60%，F(xiàn)e元素占比約55·88%，并含有少量Al、Si、S、Mn等元素。蝕坑內(nèi)少量的紅色物質(zhì)應(yīng)為停機(jī)后產(chǎn)生的鐵銹，表明該管段內(nèi)壁存在沖刷現(xiàn)象，無(wú)致密的氧化膜，導(dǎo)致停機(jī)后在室溫下產(chǎn)生銹蝕。

圖2 管內(nèi)壁形貌及金相組織

從測(cè)樣中選取7個(gè)點(diǎn)使用SEM測(cè)量腐蝕坑深度，最小76·7 μm，最大407·6 μm。據(jù)管壁形貌情況分析，該低壓蒸發(fā)器泄漏管具有管道流動(dòng)加速腐蝕的特征，即管壁無(wú)致密氧化膜、坑點(diǎn)密布且為馬蹄狀[3－4]。

2.2 管壁厚度檢測(cè)

對(duì)管樣不同部位的外觀檢查可知，管內(nèi)壁有明顯介質(zhì)沖蝕痕跡，且直管段外弧側(cè)及彎管外弧處均有不同程度的沖刷減薄現(xiàn)象[5]；對(duì)管樣進(jìn)行管壁厚度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。其中，彎管外弧泄漏處減薄嚴(yán)重，壁厚僅剩1 mm左右；直管段沖刷減薄情況相對(duì)彎管外弧較輕，但入口端直管段外弧側(cè)的減薄情況比出口端直管段外弧側(cè)減薄情況嚴(yán)重，壁厚分別為2 mm和3 mm；而直管段及彎管內(nèi)弧側(cè)壁厚均為5 mm左右，無(wú)明顯減薄。

表2 管壁厚度測(cè)量結(jié)果 mm

為進(jìn)一步確認(rèn)低壓蒸發(fā)器泄漏原因，對(duì)蒸發(fā)器4排8列管道壁厚進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)與泄漏點(diǎn)一致或相近，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。由壁厚檢測(cè)結(jié)果可以看出，第2、3排連接管共16根管子的壁厚減薄超過(guò)30%，最小壁厚僅1 mm，壁厚僅剩設(shè)計(jì)壁厚的20%；第1排 管 子 減 薄 量0·2 mm，最 小 壁 厚5·6 mm，占設(shè)計(jì)壁厚的93·33%。

表3 低壓蒸發(fā)器連接管壁厚檢測(cè) mm

2.3 管材物理性能檢測(cè)

為確認(rèn)管材材質(zhì)是否合格，對(duì)本次泄漏管管材進(jìn)行了物理性能檢測(cè)。對(duì)管材的化學(xué)成分進(jìn)行光譜分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。可見(jiàn)，取樣管成分中各類(lèi)元素含量均在合格范圍內(nèi)，材質(zhì)符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》中的相關(guān)要求。

表4 管樣成分光譜分析結(jié)果(管材型號(hào)20G)%

對(duì)管道彎管處外弧側(cè)和內(nèi)弧側(cè)的硬度與拉伸性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5?？梢?jiàn)，管道外弧側(cè)和內(nèi)弧側(cè)的硬度無(wú)明顯差異，且均滿足標(biāo)準(zhǔn)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求。外弧側(cè)抗拉強(qiáng)度為405 MPa，略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，其他拉伸性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 彎管硬度及拉伸性能檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求

對(duì)管道內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)泄漏處的金相組織進(jìn)行了檢測(cè)，金相組織檢測(cè)結(jié)果如圖3所示?？梢?jiàn)，其組織均為鐵素體＋珠光體，球化2·5級(jí)，組織無(wú)異常。

圖3 管樣金相組織

3 泄漏原因分析

結(jié)合割管管樣的內(nèi)壁形貌、成分，管道材質(zhì)的硬度、拉伸性能、金相組織，其他管道的壁厚以及水汽品質(zhì)情況等多種因素，分析低壓蒸發(fā)器泄漏有以下原因。

1)低壓蒸發(fā)器管道金屬材質(zhì)的成分、硬度、金相組織均無(wú)異常，滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，僅彎管處外弧側(cè)拉伸性能不合格。綜合分析管道各項(xiàng)物理性能，因管壁減薄量較大、坑點(diǎn)較多，拉伸性能降低，并非管道材質(zhì)不合格導(dǎo)致泄漏。

2)泄漏處壁厚1 mm，僅為設(shè)計(jì)壁厚的20%，泄漏的直接原因是連接管彎管處壁厚減薄，最終導(dǎo)致管壁出現(xiàn)漏點(diǎn)。管內(nèi)壁厚度明顯減薄，存在介質(zhì)沖刷導(dǎo)致氧化層脫落的情況[6]，金屬基體裸露接觸管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)后又產(chǎn)生新的垢層被沖掉，往復(fù)循環(huán)，且內(nèi)壁上坑點(diǎn)為馬蹄狀，這些均符合流動(dòng)加速腐蝕的特征，低壓加熱器泄漏的原因是流動(dòng)加速腐蝕[7－8]。

3)機(jī)組水汽品質(zhì)方面，除給水pH略低于標(biāo)準(zhǔn)要求范圍外，其余指標(biāo)基本合格，水質(zhì)不是導(dǎo)致本次泄漏的關(guān)鍵因素，但給水pH與流動(dòng)加速腐蝕的速率密切相關(guān)，給水pH偏低會(huì)使流動(dòng)加速腐蝕加劇[9－10]。

4)低壓蒸發(fā)器使用20G/GB5310型管材的管道，與12Cr1MoVG型管材相比壁厚均明顯減薄，減薄量占設(shè)計(jì)值的20%～80%。該材質(zhì)管道抗流動(dòng)加速腐蝕能力不足，長(zhǎng)期運(yùn)行后易導(dǎo)致加熱器泄漏。

綜上所述，該低壓蒸發(fā)器上升管彎管背弧泄漏的主要原因是管道材質(zhì)抗流動(dòng)加速腐蝕能力不足，內(nèi)壁受介質(zhì)沖刷侵蝕情況較為嚴(yán)重，導(dǎo)致彎管外弧側(cè)壁厚嚴(yán)重減薄，局部承壓能力不足，最終致使管道泄漏。

4 建議

1)管材材料對(duì)流動(dòng)加速腐蝕有較大影響。選擇余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器管道材料時(shí)，不僅要考慮金屬的常規(guī)性能及價(jià)格，還應(yīng)根據(jù)余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器的實(shí)際工況，將流動(dòng)加速腐蝕對(duì)管道的影響納入重點(diǎn)考慮范圍，可以使用含適量Cr的合金材料減少流動(dòng)加速腐蝕對(duì)管道的影響[11－14]。

2)運(yùn)行中嚴(yán)格控制水汽品質(zhì)參數(shù)，調(diào)節(jié)好溶解氧及pH有利于抑制流動(dòng)加速腐蝕。一方面提高溶解氧含量如給水加氧，可以使碳鋼表面產(chǎn)生致密的氧化膜，降低鐵的腐蝕溶解，從而緩解流動(dòng)加速腐蝕[15－16]；另一方面調(diào)節(jié)水質(zhì)pH至9·5以上可使流動(dòng)加速腐蝕速率大幅降低[17]。

3)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。對(duì)未發(fā)生泄漏的低壓蒸發(fā)器管道定期檢測(cè)管壁厚度，對(duì)壁厚減薄超過(guò)30%的管道及時(shí)更換。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)在線監(jiān)測(cè)表計(jì)的維護(hù)，定期校準(zhǔn)pH、氫電導(dǎo)率等儀表，確保在線監(jiān)測(cè)水汽品質(zhì)的可靠性。