陳志榮，房璐璐，王 魯

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

省煤器是現(xiàn)代鍋爐不可缺少的受熱面，它吸收利用尾部煙道中的煙氣熱量，加熱鍋爐給水，達到節(jié)約燃煤的目的。但由于鍋爐燃用煤質(zhì)較差、煤種多變或煙速設(shè)計過高，中國省煤器泄漏和爆管事故占機組事故比例較大[1]。

針對省煤器的腐蝕泄漏問題，付國霞[2]等將其分為3類：

1)磨損以及汽水分層造成管子破裂而泄漏

在省煤器垂直管段不會出現(xiàn)汽水分層現(xiàn)象。正常流動的水平管，只要汽水混合物流速較高，在攪動的作用下，汽和水混合得比較好，就不會出現(xiàn)分層。在分層流動時管子下部有水冷卻，水在流動中放熱系數(shù)很大，管壁不會超溫。而管子上部沒有水膜冷卻，但蒸汽所占份額又比較大，蒸汽的放熱系統(tǒng)較低，因此上部管壁可能超溫而導(dǎo)致破裂，當(dāng)發(fā)生汽水分層時由于水面的波動，在水面附近的管壁溫度就會波動，時而與汽接觸溫度上升，時而與水接觸溫度下降，使金屬發(fā)生疲勞而損壞。此外，磨損會使省煤器管道強度下降，進而產(chǎn)生泄漏。這些屬于物理損壞。

2)低溫腐蝕

低溫腐蝕是一種化學(xué)損壞，是指由于煙氣露點(即酸露點)的提高，使低溫受熱面在壁溫低于露點以下的部分有大量硫酸蒸氣凝結(jié)，造成該處受熱面金屬的腐蝕破壞[3]。低溫腐蝕過程是多種化學(xué)物質(zhì)在高溫下共同對管壁進行的復(fù)雜的動態(tài)腐蝕過程,其形成和發(fā)展取決于煙氣中SO3和水蒸氣的含量，腐蝕的速度與酸的濃度、金屬壁溫度以及材料性質(zhì)等有關(guān)[4]。燃煤鍋爐煙氣的低溫腐蝕是鍋爐運行過程中的普遍現(xiàn)象, 直接影響到鍋爐的安全與經(jīng)濟運行[3]。

3)焊接質(zhì)量不好造成的泄漏

管材的質(zhì)量不過關(guān)是省煤器泄漏的一個重要原因;另外,由于管束的焊口很多，焊接質(zhì)量不好，從焊口處泄漏的現(xiàn)象也很普遍。

為探究電站鍋爐省煤器的腐蝕和改進問題，國內(nèi)外諸多專家學(xué)者從各個環(huán)節(jié)進行了大量的研究。鄭德升等[1]在其論文中提出了眾多案例，均是磨損泄漏，其中包括廣東連州發(fā)電廠一期2臺420 t/h鍋爐低溫省煤器[5]、諫壁發(fā)電廠8號鍋爐、陡河發(fā)電廠HG-670/140-9型鍋爐等，均以改變省煤器結(jié)構(gòu)的方式增加了省煤器的使用壽命。

在省煤器低溫腐蝕方面的研究也很廣泛。 MOBIN M等人針對電站鍋爐省煤器管的低溫腐蝕情況，建議采用特殊材料包覆管壁的方法來防止低溫腐蝕的發(fā)生[6]；王然等人的研究結(jié)果表明，通過采取降低鍋爐排煙溫度或改善鍋爐設(shè)計、運行調(diào)整和入爐燃料質(zhì)量等措施可減輕低溫腐蝕的影響[7]；張基標(biāo)等人通過在模擬試驗和工程實踐驗證的基礎(chǔ)上，新提出的煙氣露點經(jīng)驗公式可以比較準(zhǔn)確地判斷煙氣露點和低溫腐蝕情況，并指出控制鍋爐煙氣低溫腐蝕的本質(zhì)即嚴(yán)格控制鍋爐低溫受熱面金屬壁溫[8]；曹艷等人認(rèn)為造成鍋爐部件發(fā)生硫酸腐蝕的溫度為壁面酸露點，而該溫度遠低于常規(guī)意義上的煙氣酸露點[9]；杜京武等人通過熱力分析計算認(rèn)為翅片管省煤器存在的吸熱量過大、汽溫偏低、熱風(fēng)溫度下降等問題[10]。

某發(fā)電公司600 MW超臨界火電機組的低低溫省煤器結(jié)構(gòu)為模塊化方翅片管結(jié)構(gòu)，管子材質(zhì)為耐硫酸露點的ND鋼，該鋼種被普遍認(rèn)為是國內(nèi)最理想的耐硫酸低溫腐蝕用鋼材，且廣泛應(yīng)用于制造在高含硫煙氣中服役的省煤器、空氣預(yù)熱器、熱交換器和蒸發(fā)器等裝置設(shè)備[11]。該電廠的低低溫省煤器累計運行時間約為16 640 h便出現(xiàn)泄漏狀況。為了探究其泄漏原因，對取樣管的宏觀形貌、化學(xué)成分、金相組織微觀形貌和表面垢樣的化學(xué)組成方面進行了綜合分析，探究了600 MW超臨界火電機組低低溫省煤器的失效機理和失效類型，為國內(nèi)同類型鍋爐分析類似失效狀況提供理論依據(jù)。

1 研究對象概況

由某電廠提供的材質(zhì)為ND鋼(即09CrCuSb)的低低溫省煤器泄漏管段規(guī)格為Φ38×4 mm，該管段所在部件累計運行時間約為16 640 h，該部件所在機組于小修期間曾使用消防水進行沖洗，小修后啟爐運行3個月后發(fā)現(xiàn)煙道滴水情況，割除煙道側(cè)部封板后發(fā)現(xiàn)彎頭部分漏水，同時側(cè)部封板內(nèi)積灰嚴(yán)重，管道表層存在剝落現(xiàn)象并可見一處明顯泄漏點，泄漏管段現(xiàn)場宏觀形貌如圖1所示，共計發(fā)現(xiàn)9處泄漏點，均位于煙道外部側(cè)封板內(nèi)彎頭部位，具體位置如圖2及表1所示。

圖1 泄漏管段現(xiàn)場宏觀形貌

圖2 低低溫省煤器堵漏位置示意圖

表1 泄漏點位置管道編號

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 宏觀形貌分析

低低溫省煤器泄漏管段樣品宏觀形貌如圖3所示，該管段為低低溫省煤器冷段上第7層第2根彎管。針對該管段進行管徑及壁厚測量，未發(fā)現(xiàn)明顯脹粗及減薄現(xiàn)象。由圖3(a)及圖3(b)可知，送檢管段的外表面呈現(xiàn)大面積均勻的凹凸不平，同時存在兩處直徑約為3mm的宏觀泄漏點；從圖3(c)中可觀察到泄漏點凹坑由外壁向內(nèi)壁發(fā)展呈現(xiàn)坑穴狀，此類凹坑為管壁受腐蝕后形成的腐蝕坑，該形貌為典型的坑蝕穿孔[11]；剖開泄漏處管道，從管子內(nèi)表面觀察泄漏點，宏觀呈現(xiàn)為一圓形孔洞(見圖3(d))，圓孔周圍內(nèi)壁形貌相對光滑但存在銹色附著物。

2.2 化學(xué)成分分析

從樣品彎管上切取塊狀試樣，采用美國熱電型號為ARL8860的臺式直讀光譜儀對其所含主要合金元素進行分析，檢測結(jié)果見表2，各化學(xué)元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求[12]。

圖3 低低溫省煤器泄漏管段宏觀形貌

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果

2.3 金相檢驗

對圖4所示樣品，采用德國徠卡型號為DMI5000M的金相顯微鏡進行金相顯微組織分析。圖5、圖6為圖4中1號、3號位置的金相組織照片，每個位置分別觀察了管外壁、管壁厚中部、管內(nèi)壁?？梢钥吹?號位置外壁、中部及內(nèi)壁顯微組織均為鐵素體加珠光體加碳化物，外壁組織中存在明顯的腐蝕坑、孔洞及沿晶微裂紋，中部及內(nèi)壁組織中碳化物在晶界處聚集長大、粗化，局部呈鏈狀或條狀分布。3號位置外壁、中部及內(nèi)壁組織均為鐵素體加珠光體加碳化物，碳化物明顯在晶界處聚集長大、粗化。

圖4 低低溫省煤器失效管段試樣

圖5 1號位置顯微組織照片

圖6 3號位置顯微組織照片

2.4 掃描電鏡檢驗

對圖3(c)所示樣品的孔洞處采用泰思肯型號為TESCAN VEGA3 LM的掃描電子顯微鏡進行顯微組織觀察，試驗結(jié)果如圖7所示，由圖7(a)可見凹坑邊緣分布著許多沿晶微裂紋，圖7(b)中則可觀察到孔洞凹坑周圍附著了較多的腐蝕產(chǎn)物。

圖7 孔洞部位掃描電鏡形貌

2.5 X射線衍射分析(XRD)

為確定腐蝕產(chǎn)物的具體成分，對低低溫省煤器管壁的腐蝕產(chǎn)物取樣，并采用日本理學(xué)型號為Smartlab(3 kW)的X射線衍射儀進行檢測，結(jié)果如圖8所示。從低低溫省煤器管壁腐蝕產(chǎn)物的XRD檢測結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物物相構(gòu)成主要為Fe、Cu、Cr、Sb元素的硫化物及氧化物，由此可初步判定該取樣管的腐蝕是由硫酸腐蝕所引起的。

圖8 低低溫省煤器表面腐蝕產(chǎn)物的XRD分析

3 分析探討

在現(xiàn)場檢查中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生泄漏的低低溫省煤器管段表面積灰嚴(yán)重，管道表層存在剝落現(xiàn)象，并可見一處明顯泄漏點。取樣管未發(fā)現(xiàn)明顯脹粗及管壁減薄現(xiàn)象，外壁大面積呈現(xiàn)均勻的凹凸不平，同時存在2處直徑約為3 mm的坑蝕穿孔泄漏點。宏觀形貌檢查結(jié)果表明，取樣管段具有明顯的低溫腐蝕特征[13]。

金相檢驗結(jié)果表明，泄漏側(cè)及泄漏對側(cè)的金相組織為鐵素體加珠光體加碳化物，碳化物明顯在晶界處聚集、長大、粗化，結(jié)合掃描電鏡孔洞部位形貌特征可見泄漏點周圍分布著大量的沿晶微裂紋及腐蝕產(chǎn)物。XRD分析結(jié)果表明，泄漏點周圍腐蝕產(chǎn)物主要由Fe、Cu、Cr、Sb元素的硫化物及氧化物構(gòu)成，由此可初步判定該取樣管的腐蝕是由硫酸腐蝕所引起的[14]。結(jié)合該省煤器為模塊化方翅片管結(jié)構(gòu)，容易造成省煤器煙氣下游某些部位溫度偏低，當(dāng)含有SO2、SO3和CO2的高溫?zé)煔庥龅綔囟鹊陀跓煔饴饵c(煙氣中酸蒸氣的凝結(jié)溫度)的部件(省煤器、空氣預(yù)熱器)時，部件表面凝結(jié)的水膜與SO2、SO3和CO2會結(jié)合形成酸性溶液對管壁進行復(fù)雜的動態(tài)腐蝕過程[15]，進而導(dǎo)致金屬產(chǎn)生均勻性低溫腐蝕直至泄漏失效。

4 結(jié) 語

結(jié)合低低溫省煤器現(xiàn)場泄漏情況以及對取樣管的宏觀形貌分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗、掃描電鏡檢驗、X射線衍射檢驗，對某電廠600 MW超臨界火電機組低低溫省煤器泄漏原因進行了深入研究，分析結(jié)論和建議如下。

1)取樣管的化學(xué)成分完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對ND鋼的要求，材料不存在相關(guān)缺陷；宏觀形貌及現(xiàn)場檢查結(jié)果呈現(xiàn)明顯的低溫腐蝕特征，結(jié)合顯微組織及X射線衍射分析結(jié)果,可初步判斷取樣管的失效機理為腐蝕失效，失效類型為煙氣側(cè)低溫腐蝕。

2)建議采取相關(guān)技術(shù)措施使尾部煙道受熱面金屬壁溫保持在硫酸露點腐蝕溫度之上，才能從根源上控制低溫腐蝕現(xiàn)象。