摘 要:某化工厂自备电站锅炉内水冷蒸发屏钢管多次发生爆管,采用宏观观察、化学成分分析、 金相检验、微观分析、垢层分析、X射线衍射分析和水气质量分析等方法分析了其爆管原因.结果表 明:水气指标超标造成水冷蒸发屏钢管内壁结垢,而锅炉给水中氧元素浓度长期严重超标引起垢下氧 腐蚀、氯离子及氧腐蚀,在周期性应力的作用下,钢管内壁形成裂纹且裂纹不断加深,最终导致爆管.
关键词:锅炉;水冷蒸发屏;爆管;氧腐蚀
中图分类号:TK２２３．３ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０１Ｇ００６１Ｇ０５
某化工厂自备２号电站锅炉为采用单汽包、自 然循环和循环流化床燃烧方式的锅炉.该锅炉由膜 式水冷壁炉膛、汽冷式旋风分离器和由汽冷包墙包 覆的尾部竖井组成,其中,膜式水冷壁炉膛内配有屏 式过热器和水冷蒸发屏.锅炉投产运行 １１８００h 后,在半个月内发生３次水冷蒸发屏爆管事故.其 中,水冷 蒸 发 屏 规 格 为 ?６０ mm×６ mm,材 料 为 ２０G 钢.锅炉额定蒸发量为１３０t??h－１,高温过热蒸 汽出口压力为９．８１ MPa,出口蒸汽温度为５４０ ℃, 给水温度为２１５ ℃,锅筒饱和水温度为３１８ ℃.为 了查明水冷蒸发屏爆管发生的原因,保障锅炉安全、 稳定地运行,笔者对该锅炉爆管原因进行了分析.
１ 理化检验
１．１ 宏观观察
对３次爆管的水冷蒸发屏钢管爆口进行宏观观 察,３次爆管的钢管分别编号为１,２,３号.１号钢管 的爆口位于右水冷蒸发屏下穿墙横管下数第４根(浇 注料内),爆口直径为１０mm,钢管未出现胀粗现象. 由于操作人员对爆口处进行堆焊抢修后锅炉重启运 行,无法查看１号钢管内壁的情况.２号钢管的爆口 位于右水冷蒸发屏下部前数第６根浇注料上方５mm 处,其宏观形貌如图１所示.可见该爆口呈核桃状, 长度为４０mm,宽度为２５mm,钢管未出现胀粗现象, 爆口呈现出脆性爆破的特征.沿纵向剖开管段后,可 见其内壁有溃疡状腐蚀坑,腐蚀坑区域有较厚的黑色沉积物,该沉积物质地较硬且不易剥落.敲除部分沉 积物后,管壁表面呈砖红色.２号钢管管壁其他部位 被红锈覆盖.３号钢管的爆口位于左水冷蒸发屏前 数第２根和第２０根浇注料上方５mm 处,该钢管的 内壁腐蚀坑形貌和２号钢管的类似.
对２,３号钢管爆口同高度的左、右水冷蒸发屏 全部钢管的管壁厚度进行测量,发现左水冷蒸发屏 前数第１,７,１２,１９,２１根钢管管壁减薄较严重,剖开 第１根钢管,发现其内壁结垢较多,管壁减薄处有腐 蚀坑,如图２所示.现场检查运行记录后发现,该锅 炉为配合生产线需要存在超负荷运行情况,运行蒸 发量在９０~１６１t??h－１波动.此外,该锅炉还发生过 多起炉床超温结焦事故.
１．２ 化学成分分析
在 ２,３ 号 钢 管 的 爆 口 附 近 取 样,使 用 FOUNDRＧMASTERPRO 型全谱火花直读光谱仪 进行化学成分分析,结果见表１.由表１可知,２,３ 号钢管的化学成分符合GB/T５３１０－２０１７«高压锅炉用无缝钢管»对２０G 钢的技术要求.
１．３ 金相检验
在２号钢管内壁的腐蚀坑部位和其他未腐蚀部 位分别取样,将试样打磨、抛光后,采用体积分数为 ４％的硝酸酒精溶液浸蚀,使用 AxioObserver．A１m 型研究级倒置万能显微镜对浸蚀前的腐蚀坑部位试 样、浸蚀后的腐蚀坑部位试样、未腐蚀部位试样进行 显微组织观察,如图３所示.可见浸蚀前腐蚀坑部 位有裂纹,见图３a);浸蚀后腐蚀坑部位的显微组织 为铁素体＋珠光体,未发现球化的珠光体,这说明钢 管不存在高温老化现象;腐蚀产物为层状,基体晶界 有微裂纹,在基体与腐蚀产物的交界处腐蚀产物沿 晶间裂纹向基体方向延伸,见图３b);未腐蚀部位显 微组织为铁素体＋珠光体,见图３c).
１．４ 微观分析
在２号钢管的爆口和内壁取样,采用 SUPRA ５５型扫描电镜(SEM)对试样进行观察,可见爆口断 面有裂纹和孔洞,见图４a);爆口处腐蚀坑腐蚀产物 剥落后表面有网状裂纹和气泡状蚀孔,见图４b);钢 管内壁部分结垢处存在小腐蚀坑,见图４c).
对２号钢管爆口腐蚀坑[图４b)中 A 区域]和非 爆口内壁结垢处[图４c)中 B区域]用 XＧmax５０型能 谱仪(EDS)进行能谱分析,结果分别如图５和图６所 示.可见钢管爆口腐蚀坑处氯元素较富集,腐蚀坑外 氧元素较富集,推测腐蚀坑由氯离子与溶解氧的电化 学腐蚀作用而形成.钢管非爆口内壁结垢区域的小 腐蚀坑处存在多种元素,推测垢层中有磷酸盐等.
１．５ 垢层分析
根据 DL/T１１５１．１~１１５１．２２－２０１２«火力发电 厂垢和腐蚀产物分析方法»,对左水冷蒸发屏前数第 １根钢管内壁非腐蚀坑处的垢层密度和组成进行分 析,结果显示垢层密度为 ２３４．０g??m－３,结垢较严 重,垢层的组成如表２所示.由表２可见,垢层的组 成物质具有多样性.
１．６ 腐蚀产物的 X射线衍射分析
对２号钢管爆口处的腐蚀产物取样,采用 RigakuultimaIII型X射线衍射仪对试样进行 X射线衍射分 析.由图７可见,腐蚀产物主要为 Fe３O４ 并有少量 Fe２O３.对这两相的衍射峰强度进行定量分析,可得到Fe３O４ 和Fe２O３ 的质量分数分别为９３．９％和６．１％.
１．７ 水气质量分析
根据 GB/T１２１４５－２０１６«火力发电机组及蒸 汽动力设备水汽质量»的要求,锅炉给水应采用炉水 固化碱化剂(磷酸盐和氢氧化钠)处理的还原性全挥 发处理锅炉水.抽查锅炉投运以来水气质量监督的 化验记录发现多项监督指标存在超标现象,其中,蒸 汽品质主要的监督项目二氧化硅的质量分数最高达 到５０６００μg??kg －１,远超 GB/T１２１４５－２０１６ 中 二 氧化硅的质量分数不大于１５μg??kg －１的要求,钠的 质 量 分 数 最 高 达 到４７０１０μg??kg －１,远 超 GB/T １２１４５－２０１６中钠的质量分数不大于５μg??kg －１ 的 要求,给水溶解氧的质量浓度最高达到６８１μg??L－１, 远超 GB/T１２１４５－２０１６中溶解氧的质量浓度不大 于７μg??L－１的要求;大部分锅炉给水、锅炉水的pH 和磷酸根含量不符合 GB/T１２１４５－２０１６的要求, 推测是由于锅炉运行不规范、负荷波动大、排污不到 位导致多项水气指标存在超标.
２ 分析与讨论
从上述理化检验结果可知,失效钢管的化学成 分及显微组织均符合相关技术要求,钢管材料不存 在问题.对照文献[１－３]可知锅炉发生爆管不是垢 下碱腐蚀、水垢阻碍热传导而形成局部过热爆管、氢 损伤等原因造成,而是由其他原因综合造成.
２．１ 垢下氧腐蚀
水气系统内的杂质离子导致钢管表面出现结垢 和腐蚀等现象,在氧超标时就会造成垢下氧腐蚀. 锅炉给水一般经过严格的脱氧处理,但如果脱氧效 果不好,给水中氧元素浓度就会超标.大量氧元素 的侵蚀会使锅炉钢管内壁表面发生电池反应形成坑 状腐蚀或局部腐蚀从而导致钢管失效[３Ｇ５].腐蚀反 应机理如下
由于锅炉给水中的氧元素浓度长期超标,氧腐蚀成为水冷蒸发屏爆管的一个主要因素,由腐蚀产 物的 XRD检测结果可知,腐蚀产物的物相组成中 Fe２O３ 的质量分数达到９３．９％,这与氧腐蚀的结果 较吻合.由于氧浓度增大有利于阴极区反应向正向 进行,因此,当锅炉水中氧浓度增大时(质量浓度最 高达到６８１μg??L－１),会加大锅炉钢管内壁的氧腐 蚀程度.氧腐蚀通常发生在锅炉烟道尾部的省煤器 入口和水冷壁系统,主要由钢管内壁结垢引起[５].由 垢样分析结果可知水冷蒸发屏钢管内壁垢量较多. 现场检查发现,水冷蒸发屏集箱底部排污阀不是快开 阀,且锅炉运行中定排工作不到位,这导致水冷蒸发 屏钢管内壁大量结垢,为垢下氧腐蚀提供了条件.
２．２ 氯离子及氧腐蚀
水气系统内的杂质离子中氯离子的�：涎� 重,会使钢管表面由钝化状态转变为活化状态,从而 破坏钢管表面的保护膜[６].GB/T１２１４５－２０１６中 对锅炉额定工作压力为１２．７ MPa以下的锅炉水中 氯离子的浓度未做要求,所以水气化验中通常未对 该项进行监测.从能谱分析结果可知,钢管爆口腐 蚀坑处氯元素较富集,说明锅炉水中存在氯离子. 含氯离子的锅炉水对碳素钢的腐蚀性较小,但加入 氧气后,钢表面的析氢速率会迅速增加,且钢表面有 孔蚀现象出现[７Ｇ９].在阳极极化的条件下,介质中的 氯离子可使金属发生孔蚀,随着氯离子浓度的增加, 孔蚀电位下降,孔蚀更容易发生并加速进行.当锅 炉水中同时存在氯离子和溶解氧时,锅炉钢管蒸发 受热面上溶解氧较多的部位与供氧受阻的部位就会 形成供氧差异腐蚀电池,高温下该腐蚀会加速进行 直到钢管破裂[８].腐蚀反应机理如下
腐蚀坑腐蚀产物剥落后其表面气泡状蚀孔内氯 元素浓度明显较高,说明氯离子富集在蚀孔处,导致氧元素浓度较低形成贫氧区,蚀孔外氧元素浓度较 高形成富氧区.
２．３ 其他因素
由于锅炉存在较大的负荷波动,其运行蒸发量 最高时达到１５７t??h－１,最低时为９０t??h－１,炉床发 生过多次超温结焦事故造成停炉,这些因素会造成 锅炉的水冷壁和水冷蒸发屏鼓包,还会导致水冷蒸 发屏的受热面钢管产生低频高强度周期性应力.当 腐蚀产生后,在周期性应力的作用下,钢管的管壁膨 胀导致其表面的氧化膜和腐蚀产物剥落或破裂,暴 露出的钢管表面受到渗入介质(氯离子、溶解氧)的 腐蚀后形成微孔和裂纹,裂纹在下一个膨胀周期继 续加深,最终导致爆管.
３ 结论及建议
锅炉由于运行不规范及排污不到位,多项水气 指标存在超标,造成水冷蒸发屏钢管内壁结垢,加上 锅炉给水中氧元素浓度长期严重超标引起垢下氧腐 蚀、氯离子及氧腐蚀,在周期性应力的作用下,管壁 上形成裂纹且裂纹不断加深,最终导致爆管.
建议加强检查以确保锅炉锅筒、水冷蒸发屏进 口集箱和水冷壁下集箱等排污系统正常运转;加强 检验监督,提高锅炉给水和锅炉水品质,加强水气化 验结果的可靠性、及时性和联动性,发现水气质量超 标时及时处理;禁止锅炉超负荷运行,保持其平稳运行;有条件停炉时,需对水冷蒸发屏钢管进行普查, 对发生减薄的管段进行更换处理;停炉时做好保养, 有条件时开展化学清洗.
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