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        電站鍋爐水冷壁管失效分析

        2021-07-08 02:33:48張鴻武馮楠楠
        山東電力技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:爆口珠光體外層

        張鴻武,馮楠楠

        (1.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司,山東 濟(jì)南 250003;2.濟(jì)南經(jīng)緯電力工程咨詢有限公司,山東 濟(jì)南 250021;3.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250003;4.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,山東 濟(jì)南 250021)

        0 引言

        20G 鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,具有優(yōu)良的塑性、韌性及焊接性。在電站鍋爐承壓部件中,20G 鋼管常用于水冷壁管,分布在爐膛的四周,吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量,并起到保護(hù)爐墻的作用,受熱溫度在1 000 ℃左右,其長期使用的最高壁溫應(yīng)不超過450 ℃[1-3]。

        1 檢驗檢測

        某電站鍋爐為SG420-540/13.7-M419 型燃煤蒸汽鍋爐,于1992 年投產(chǎn),截至目前已累計運(yùn)行超過20 萬h。2005 年對水冷壁管進(jìn)行防腐噴涂處理,噴涂材料為Al絲。該爐噴燃器為雙通道噴燃器。近期入爐煤含硫量在0.48%~3.71%,大部分在1.0%~2.0%之間,煤的含硫量較高。2020 年5 月該鍋爐水冷壁管發(fā)生爆管泄漏。

        全面分析斷裂原因,對于指導(dǎo)事故處理工作,加強(qiáng)電站鍋爐運(yùn)行管理、提高其安全可靠性,具有重要意義[4]。該水冷壁管的設(shè)計材料為20G,設(shè)計規(guī)格為Φ60 mm×7 mm,運(yùn)行壓力15.2 MPa,運(yùn)行溫度310 ℃。

        1.1 宏觀檢驗

        原始爆口位于前墻標(biāo)高約12 m,北數(shù)第20 根管,爆口開口較大,呈喇叭狀,邊緣減薄明顯,見圖1(a),爆口處管壁較薄,表面有水沖刷的痕跡。從爆口宏觀形貌上來看,為腐蝕減薄爆口。

        經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),在上下噴燃器之間以及上噴燃器以上部分區(qū)域內(nèi)的水冷壁管向火側(cè)外表面均附著了大量的黑灰色較為堅硬的物質(zhì)。

        爆漏管鄰近管子表面附著有大量的黑灰色塊狀物質(zhì),主要集中在管壁向火側(cè)中間部位,呈多層結(jié)構(gòu),最外層是不穩(wěn)定的疏松焦渣,里一層是脆硬的黑褐色燒結(jié)物,厚度在1~2 mm,與內(nèi)層結(jié)合較為緊密,用銼刀敲擊呈片狀脫落;最內(nèi)層是深灰色或藍(lán)黑色腐蝕產(chǎn)物,與管壁結(jié)合極為緊密,很難用銼刀敲落,見圖1(b)。在管壁靠近鰭片處附著物較少,但管壁減薄量加大,最薄處約2.6 mm,存在點狀的凹坑,見圖1(c)。

        圖1 宏觀形貌

        1.2 金相分析

        對取樣管段進(jìn)行金相檢測,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 674—1999《火電廠用20 號鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)》對珠光體進(jìn)行球化評級[5]。檢測結(jié)果如下。

        管子向火面(爆口邊緣)及背火面(爆口背面)的金相組織均為珠光體和鐵素體。珠光體區(qū)域開始分散,其組成仍較為致密,基本保持原有形態(tài),珠光體球化評級均為2級,如圖2所示。

        圖2 金相組織

        外壁腐蝕產(chǎn)物共分為三層,最外層較為疏松,存在較多孔洞;次外層相對最外層致密,但也存在部分孔洞;內(nèi)層最為致密,與噴涂層結(jié)合緊密,如圖3所示。

        圖3 腐蝕產(chǎn)物形貌

        1.3 微觀形貌及能譜檢測

        使用AMRAY1830 掃描電子顯微鏡,對爆口管段進(jìn)行微觀形貌檢測,如圖4 所示,從襯度上可以看出,水冷壁管外壁腐蝕產(chǎn)物截面共分為三層,最外層顏色最淺,較為疏松,含有較多顆粒狀物質(zhì);次外層較最外層致密;內(nèi)層與噴涂層結(jié)合緊密;噴涂層與基體之間存在較多孔隙和裂紋,結(jié)合不是很緊密。腐蝕產(chǎn)物表面存在大量的孔洞和裂紋,較為疏松脆硬。

        對外層腐蝕產(chǎn)物的表面和截面進(jìn)行能譜檢測,分別如圖4(b)和圖5 所示??梢娡鈱痈g產(chǎn)物的表面主要由Fe 元素、Al 元素、S 元素、Si 元素組成,S 元素含量最高。

        圖4 微觀形貌

        圖5 外層腐蝕產(chǎn)物截面能譜測點

        外層腐蝕產(chǎn)物的截面中1區(qū)全部為Fe元素,為管子基體;2區(qū)含有部分S元素和Cl元素;3區(qū)Al元素含量較高,為噴涂層與腐蝕產(chǎn)物混合區(qū)域;4區(qū)與5區(qū)成分基本一致,S 元素含量較高,存在少量的Ca 和K 元素,為腐蝕產(chǎn)物和積灰沉積區(qū)域,檢測結(jié)果見表1。

        表1 試樣的能譜檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 單位:%

        1.4 物相分析

        取下附著在水冷壁管外壁的腐蝕產(chǎn)物,研磨成粉末,使用X’Pert Pro 型X 射線衍射儀進(jìn)行物相分析,檢測結(jié)果如圖6 所示,腐蝕產(chǎn)物的主要成分是FeS、Fe3O4及少量SiO2(非晶物相不能檢出)。

        圖6 外壁腐蝕產(chǎn)物X射線衍射的檢測結(jié)果

        2 爆管原因分析

        該鍋爐噴燃器為雙通道噴燃器,其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)傳動裝置設(shè)計不合理,在熱態(tài)時會因變形而經(jīng)???,葉片無法準(zhǔn)確調(diào)節(jié);傳動機(jī)構(gòu)之間的裝配間隙偏大,剛性和緊固性差,葉片角度容易失去控制。這些都嚴(yán)重影響了噴燃器的配風(fēng)性能,導(dǎo)致配風(fēng)不合理和出口氣流流場混亂,造成火焰沖刷爐墻。

        燃料煤粉中黃鐵礦(FeS2)隨灰粒和未燃盡煤粉一起沖到管壁上,受熱分解出自由原子硫和硫化亞鐵[6]:

        此外,當(dāng)管壁附近存在H2S 和SO2時也可能生成自由原子硫[6]:

        當(dāng)燃燒完全時,煤粉中的硫原子被完全氧化,與氧結(jié)合生成SO2及少量的SO3,SO2與Fe 的反應(yīng)能力略強(qiáng)于O2,但因SO2在煙氣中的濃度遠(yuǎn)低于O2,因此O2能與水冷壁管壁金屬中的Fe 優(yōu)先反應(yīng)生成致密、連續(xù)且與管壁結(jié)合緊密的氧化膜(Fe2O3、Fe3O4、FeO)。當(dāng)火焰直接沖刷爐墻時,在離心力的作用下,管壁附近含氧量減少,在水冷壁管壁附近產(chǎn)生還原性氣體和腐蝕性氣體,緊鄰管壁處未完全燃燒的硫原子單獨存在,在管壁溫度達(dá)到350 ℃時,會發(fā)生如下反應(yīng)[6-7]:

        對于貧煤機(jī)組,鍋爐的斷面熱負(fù)荷和容積熱負(fù)荷都相對較大,噴燃器區(qū)域熱負(fù)荷高;正常運(yùn)行工況下,水冷壁管壁附近的煙氣溫度在1 000 ℃以上,這也為水冷壁管壁的高溫硫腐蝕提供了條件[6]。水冷壁管內(nèi)的介質(zhì)溫度只有300~400 ℃,管壁內(nèi)外溫差較大,換熱劇烈,盡管外壁具有保護(hù)性的氧化膜,但硫原子及反應(yīng)生成的硫化亞鐵對金屬氧化膜仍具有破壞作用,可以直接以滲透的方式穿過氧化膜,使內(nèi)部硫化,同時使氧化膜疏松、開裂,甚至剝落,產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物附著不牢固,會隨著運(yùn)行工況的變化發(fā)生脫落,如此惡性循環(huán),使得高溫腐蝕持續(xù)不斷地發(fā)生[8-9]:

        水冷壁管金相組織為鐵素體和珠光體,珠光體球化評級為2級,組織性能正常。

        腐蝕產(chǎn)物截面分為三層,腐蝕產(chǎn)物中S 元素的含量非常高,內(nèi)層和次外層達(dá)到30%以上,表面為57.48%,表面腐蝕產(chǎn)物主要物相為FeS、Fe3O4及SiO2。結(jié)合近期入爐煤含硫量較高,噴燃器水平區(qū)域火焰沖刷爐墻,在水冷壁管向火側(cè)表面局部形成還原氣氛,在煙氣溫度較高的環(huán)境中,水冷壁管向火側(cè)管壁逐漸腐蝕減薄,當(dāng)管壁減薄到一定厚度時,強(qiáng)度無法承受管內(nèi)介質(zhì)的壓力,而發(fā)生爆破。

        3 結(jié)語

        本次爆管產(chǎn)生的原因為硫化物型高溫腐蝕。建議對噴燃器區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)高溫腐蝕的水冷壁管向火側(cè)管壁厚度進(jìn)行測量,更換厚度低于設(shè)計厚度1/3的管子;改善燃煤質(zhì)量,采用的含硫量低的燃煤;對噴燃器區(qū)域出現(xiàn)高溫腐蝕的水冷壁管表面進(jìn)行噴涂處理,減緩高溫腐蝕的腐蝕速率。

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