生水加熱器泄漏原因分析及預(yù)防措施

任兵兵 張建兵 魏 然 常慶東 王 斌

（1.國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司銀川分公司 銀川 750011）

（2.寧夏英力特化工股份有限公司熱電分公司 石嘴山 753600）

生水加熱器是一種管線式噴射式加熱器設(shè)備，用于蒸汽和水混合加熱，屬于電廠化學(xué)水處理用設(shè)備，主要是確保水系統(tǒng)中反滲透裝置在冬季滿負(fù)荷出力時(shí)水溫的要求，以提高水處理效果。實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中往往不受重視，冬季一旦發(fā)生泄漏停用，將導(dǎo)致水處理系統(tǒng)不能正常工作，給電廠帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，針對(duì)生水加熱器在長(zhǎng)期服役過(guò)程中發(fā)生泄漏進(jìn)行原因分析及預(yù)防是保證電廠安全生產(chǎn)的重要保障。

1 設(shè)備概述

該公司生水加熱器屬于噴射式混合生水加熱器，內(nèi)置有噴射裝置的內(nèi)套筒，是一種通過(guò)汽、水兩相流的混合來(lái)加熱生水的設(shè)備[1]。主要熱源為輔汽，供水來(lái)源為黃河水。生水加熱器主要技術(shù)參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力汽側(cè)1.4 MPa、水側(cè)1.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度汽側(cè)380 ℃、水側(cè)30 ℃，介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽、水，規(guī)格φ816 mm×8 mm，材質(zhì)16MnR，日常運(yùn)行中水溫5～25 ℃左右，入口蒸汽溫度340～370 ℃，工作壓力汽側(cè)0.3～1.3 MPa、水側(cè)0.4 MPa，該容器于2006年7月投入使用。

2 檢測(cè)分析

2.1 外觀及解體檢查

停機(jī)后對(duì)加熱器筒體外表面檢查，筒體上部距離安全閥管座進(jìn)水側(cè)200 mm 處，可見(jiàn)1 條長(zhǎng)約25 mm與筒體軸線約45°走向裂紋，泄漏位置附近未見(jiàn)其他缺陷，見(jiàn)圖1；容器解列打開(kāi)檢查，內(nèi)表面泄漏位置有1 條清晰可見(jiàn)的約40 mm 的長(zhǎng)裂紋，見(jiàn)圖2，內(nèi)壁裂紋長(zhǎng)于外壁裂紋15 mm，裂紋周圍筒體母材大面積存在麻點(diǎn)、蜂窩狀的凹坑，見(jiàn)圖3，容器內(nèi)部銹蝕較嚴(yán)重，局部呈潰瘍狀，底部有沉積物，且沿水側(cè)擋板脫焊處有1 條溝槽，內(nèi)套筒也已脫開(kāi)，噴射裝置的噴孔大部分堵塞，見(jiàn)圖4。宏觀檢查結(jié)果表明，加熱器筒體開(kāi)裂泄漏起始于內(nèi)壁，且內(nèi)壁具有腐蝕、汽蝕損壞特征。

圖2 內(nèi)壁裂紋

圖3 筒體內(nèi)壁麻點(diǎn)及蜂窩狀凹坑外貌

圖4 噴射裝置上噴孔堵塞

2.2 壁厚測(cè)量及強(qiáng)度計(jì)算

●2.2.1 壁厚測(cè)量

使用超聲波測(cè)厚儀對(duì)裂紋附近筒體母材進(jìn)行壁厚測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在靠近汽水分割線擋板筒體上部位置壁厚有不同程度的減薄，減薄區(qū)域大致以筒體上部軸線為界分為A 區(qū)域和B 區(qū)域，如圖5所示，越靠近正上部軸線位置減薄量越大，實(shí)測(cè)泄漏位置剩余壁厚為4.0 mm，遠(yuǎn)低于公稱壁厚（8.0 mm）。

圖5 生水加熱器減薄區(qū)域示意圖

●2.2.2 強(qiáng)度計(jì)算

此生水加熱器設(shè)計(jì)制造資料缺少容器的強(qiáng)度計(jì)算書(shū)，查閱圖紙及工作參數(shù)、腐蝕余量、參照GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3 部分：設(shè)計(jì)》對(duì)容器筒體進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算校核[2]，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式（1）、式（2）：

式中：

δ——筒體最高工作壓力、工作溫度下計(jì)算厚度，mm；

Pc——計(jì)算壓力，MPa；

Di——圓筒或球殼的內(nèi)直徑，mm；

[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下圓筒和球殼材料的許用應(yīng)力，MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)；

δe——圓筒和球殼的有效厚度，mm；

[pw]——筒體實(shí)測(cè)剩余壁厚下所能承受的最高壓力，MPa。

計(jì)算結(jié)果證明，泄漏位置剩余壁厚4.0 mm 小于計(jì)算厚度4.53 mm，不能滿足在最高工作壓力下正常運(yùn)行，分析筒體局部開(kāi)裂與強(qiáng)度不足有關(guān)。

2.3 無(wú)損檢測(cè)

對(duì)泄漏部位附近1 000 mm 范圍容器筒體內(nèi)、外壁表面進(jìn)行磁粉和超聲波檢測(cè)，除泄漏位置有壁厚減薄情況外，其他所檢測(cè)部位未見(jiàn)其他超標(biāo)缺陷及異常。

2.4 化學(xué)成分分析

圖紙中容器的設(shè)計(jì)材質(zhì)為16 MnR，對(duì)筒體母材取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用ARL4460 直讀式光譜儀進(jìn)行成分分析，檢測(cè)結(jié)果S 元素在成品分析允許偏差0.005%范圍內(nèi)[3]，其他檢測(cè)結(jié)果均符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中Q345R(2008 版標(biāo)準(zhǔn)，16MnR 并入Q345R）的要求[4]。筒體化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 容器筒體化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.5 金相檢測(cè)

采用4%硝酸酒精對(duì)裂紋及附近母材進(jìn)行浸蝕后，使用蔡司Axio Observer.A1m 對(duì)裂紋部位及其附近的微觀組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)晶界較模糊，裂紋具有穿晶開(kāi)裂特征，裂紋寬度由內(nèi)壁向外壁逐漸變細(xì)變窄，證明裂紋由筒體內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展至裂穿，見(jiàn)圖6、圖7；金相組織為鐵素體和珠光體[5]，球化等級(jí)2.5 級(jí)，見(jiàn)圖8，金相組織未見(jiàn)異常，表明筒體內(nèi)壁無(wú)超溫情況。對(duì)裂紋部位取樣經(jīng)磨拋腐蝕后進(jìn)行宏觀分析，使用蔡司Stemi 508 立體顯微鏡進(jìn)行低倍觀察，發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)壁有多處凹坑，泄漏位置位于壁厚較薄處凹坑內(nèi)，內(nèi)壁凹坑均存在不規(guī)則缺口情況，見(jiàn)圖9。

圖6 顯微鏡下裂紋貫穿外貌

圖8 母材金相組織

3 原因分析

3.1 腐蝕原因

查閱資料，日常運(yùn)行中及停運(yùn)容器均沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，給水不除氧，運(yùn)行的水中存在溶解氧，金屬鐵和氧形成2 個(gè)電極，組成腐蝕電池，氧作為去極化劑發(fā)生還原反應(yīng)，易造成金屬氧腐蝕。在設(shè)備停運(yùn)時(shí)，容器內(nèi)的水雖然放掉了，但因閥門關(guān)閉不嚴(yán)等因素，也會(huì)有少量蒸汽進(jìn)入容器，隨著壓力、溫度的降低，蒸汽凝結(jié)成水或水膜；空氣從不嚴(yán)密處大量滲入分散各處，空氣中的氧進(jìn)入水中溶解，再次形成氧腐蝕，也就是所謂的電化學(xué)腐蝕[6]。經(jīng)了解，生水加熱器運(yùn)行及反滲透裝置溫度需要，存在夏季投運(yùn)頻次低或停運(yùn)等現(xiàn)象，隨著容器交替運(yùn)行和長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，氧腐蝕越來(lái)越嚴(yán)重，是造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞的原因之一。

另外，生水加熱器原水為黃河水，設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，水中的雜質(zhì)、微生物、泥沙會(huì)在容器內(nèi)沉積，蒸汽中的鹽類析出在筒壁、噴孔處沉積，發(fā)生了垢下腐蝕，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下造成噴孔大面積堵塞，嚴(yán)重破壞了容器內(nèi)部汽水換熱過(guò)程，加劇了腐蝕帶來(lái)的破壞，綜合作用下導(dǎo)致內(nèi)部套筒、汽水擋板脫開(kāi)結(jié)構(gòu)損壞。

3.2 汽蝕的形成及損傷

日常運(yùn)行中由于積鹽、結(jié)垢、腐蝕等原因內(nèi)套筒噴孔堵塞后，生水的混合換熱轉(zhuǎn)換為表面換熱，蒸汽在筒體內(nèi)壁液化形成汽液兩相流，沖蝕汽水分隔擋板，加之日常及停用時(shí)的氧腐蝕不斷加劇，促使汽水分隔擋板與噴射裝置連接部位出現(xiàn)開(kāi)裂，水從裂縫處出來(lái)發(fā)生汽化，汽化過(guò)程中產(chǎn)生氣泡，氣泡向內(nèi)壁上部汽水空間移動(dòng)，當(dāng)蒸汽壓力急劇變化時(shí)，氣泡破裂，隨著熱交換的加劇，氣泡的產(chǎn)生、破裂重復(fù)出現(xiàn)，對(duì)容器組件產(chǎn)生沖擊甚至引起振動(dòng)，進(jìn)而引起筒壁的局部損傷和開(kāi)裂，通常把氣泡的形成和破裂使材料受到損壞的過(guò)程，稱為汽蝕現(xiàn)象[7]。從壁厚測(cè)量結(jié)果和位置可以發(fā)現(xiàn)，筒體壁厚減薄部位集中在汽水分割擋板的筒體上部位置附近，由此可以判斷造成筒體壁厚減薄的主要原因是汽蝕損傷。

3.3 應(yīng)力分析

生水加熱器殼壁較薄，自身只承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，也就是所謂的薄膜應(yīng)力，但運(yùn)行工況下將會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)壓作用，使圓筒向外膨脹受到周向及環(huán)向應(yīng)力，隨著汽蝕造成的沖擊與震動(dòng)，內(nèi)應(yīng)力加劇。生水加熱器還存在負(fù)荷變化和斷續(xù)運(yùn)行的不穩(wěn)定性，使得溫度不斷變化，而容器本身又受到其他部分及相鄰物體的牽制約束而不能自由的熱脹冷縮，則會(huì)在容器內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，多種應(yīng)力的存在為微裂紋的萌生創(chuàng)造了條件。

3.4 裂紋形成機(jī)理

容器自身及運(yùn)行過(guò)程中會(huì)承受多種應(yīng)力，當(dāng)附加較小的拉應(yīng)力時(shí)，在缺口微區(qū)就會(huì)產(chǎn)生滑移臺(tái)階，由于滑移臺(tái)階破壞了表面的保護(hù)膜，在滑移臺(tái)階附近的滑移帶中，堆積了大量的位錯(cuò)，甚至可能伴隨有微孔洞、孔洞，隨著滑移臺(tái)階附近的金屬活性化，加速了化學(xué)溶解過(guò)程，并成為電化學(xué)腐蝕的陽(yáng)極，而保護(hù)膜未被破裂區(qū)為大陰極，這種應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂可以解釋為機(jī)械-電化學(xué)反應(yīng)腐蝕理論[8]。結(jié)合圖6、圖9，可以判斷裂紋起源于內(nèi)壁凹坑根部缺口位置，由于長(zhǎng)時(shí)間電化學(xué)腐蝕作用、受力及材料組織結(jié)構(gòu)變化，在晶界、相界、大量位錯(cuò)塞積處形成微裂紋，因微裂紋的聚合產(chǎn)生可見(jiàn)微孔洞，以后孔洞長(zhǎng)大、增殖，最后連接形成穿晶斷裂。

圖9 筒體泄漏端面內(nèi)壁凹坑外貌

3.5 綜合分析

由于生水加熱器運(yùn)行及停運(yùn)期間未采取相關(guān)措施導(dǎo)致容器內(nèi)部出現(xiàn)了嚴(yán)重的氧腐蝕，隨著腐蝕發(fā)生及水中的雜質(zhì)、微生物、泥沙大量的沉積，內(nèi)套筒噴孔被大面積堵塞，造成汽水換熱過(guò)程由套筒內(nèi)變?yōu)樘淄餐?，正常的汽水換熱過(guò)程遭到了破壞，在汽液兩相區(qū)形成了汽蝕現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間的內(nèi)部腐蝕伴隨汽蝕損傷，造成母材內(nèi)壁存在大面積凹坑，筒體壁厚嚴(yán)重減薄，在凹坑較嚴(yán)重的缺口位置達(dá)到極限值，在腐蝕、汽蝕、應(yīng)力等綜合因素下，筒體最終因強(qiáng)度不足發(fā)生開(kāi)裂泄漏。

4 預(yù)防措施及建議

4.1 停爐保養(yǎng)

生水加熱器屬于化學(xué)原水處理的附屬設(shè)備，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中此類設(shè)備往往不受重視，日常維護(hù)保養(yǎng)流于形式，致使設(shè)備內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并消除，也是設(shè)備腐蝕失效損壞的原因之一，應(yīng)注重停爐保養(yǎng)，具體可通過(guò)對(duì)進(jìn)口、出口管道法蘭加裝堵板，徹底防止蒸汽和水進(jìn)入內(nèi)部；其次，利用吹掃等方式處理容器內(nèi)存水；最后，打開(kāi)人孔門通風(fēng)直至內(nèi)壁徹底干燥，可有效杜絕發(fā)生氧腐蝕。

4.2 改善水pH 值

從水源方面保證水介質(zhì)較純凈無(wú)雜物，通過(guò)加藥水處理，調(diào)整水系統(tǒng)水pH 值處于鈍化區(qū)9～12，可使金屬表面形成一層穩(wěn)定的保護(hù)膜，造成陽(yáng)極鈍化，從而大大降低氧腐蝕速度[9]。

4.3 加強(qiáng)設(shè)備過(guò)程檢驗(yàn)

依據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[10]規(guī)定，生水加熱器應(yīng)定期進(jìn)行月度、年度自行檢查，但月度、年度檢查僅限于安全管理情況、容器本體及運(yùn)行狀況、安全附件及儀表檢查，不使用儀器難以發(fā)現(xiàn)筒體壁厚減薄情況，應(yīng)重視停運(yùn)檢查及定期檢驗(yàn)。具體如下：停運(yùn)期間，可通過(guò)打開(kāi)人孔門或內(nèi)窺鏡等檢查方式了解內(nèi)壁腐蝕及損傷情況；定期檢驗(yàn)中，利用超聲波測(cè)厚儀、內(nèi)窺鏡針對(duì)性地?cái)U(kuò)大結(jié)構(gòu)突變、空腔、液位波動(dòng)及易腐蝕部位檢測(cè)數(shù)量和范圍，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壁厚異常情況；年度檢查也可不限于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的檢查方式，可應(yīng)用其他新技術(shù)，如脈沖渦流不停機(jī)檢測(cè)，實(shí)時(shí)了解分析設(shè)備的腐蝕減薄情況。通過(guò)認(rèn)真落實(shí)以上檢驗(yàn)檢測(cè)手段并做好針對(duì)性預(yù)防及處理，可有效避免泄漏事故發(fā)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

泄漏是換熱類設(shè)備常見(jiàn)的失效形式，最終呈現(xiàn)的方式表現(xiàn)為在綜合應(yīng)力作用下因壁厚強(qiáng)度不足發(fā)生開(kāi)裂。針對(duì)此類生水加熱設(shè)備，應(yīng)從保證進(jìn)水的品質(zhì)、停用爐期間維護(hù)保養(yǎng)等方面有效開(kāi)展日常管理工作，以減少腐蝕帶來(lái)的結(jié)構(gòu)破壞。另外，加強(qiáng)檢驗(yàn)檢測(cè)和新技術(shù)的應(yīng)用，以期及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。換熱類設(shè)備由于結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，僅僅考慮和解決了蒸汽加入的問(wèn)題，沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)去解決運(yùn)行過(guò)程中普遍存在的振動(dòng)、水擊、堵塞等問(wèn)題，也將增加和助推該類容器泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。