袁浩，高惠華，肖申，張鵬，王春霞，姚濤

(1·華電電力科學研究院有限公司，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

隨著我國能源結構的調(diào)整，環(huán)保要求的提高，燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組憑借其高效低耗、調(diào)節(jié)靈活、污染小等特點在電力行業(yè)中的地位日益提高[1]。隨著機組運行時間的增加，燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組也暴露出了一些問題，如低壓蒸發(fā)器泄漏曾在多臺不同類型的機組出現(xiàn)，影響了電站的安全運行。本文以某185 MW燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組低壓蒸發(fā)器泄漏為例，通過多種檢測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措施。

1 設計參數(shù)及水汽品質(zhì)

某機組低壓蒸發(fā)器上升連接管第二排第一根泄漏，泄漏點位于連接管彎管處，距離低壓汽包約1·2 m，處 理 后 泄 漏 量 約10 t/h。該 機 組 采 用PG9171E型燃氣輪機和雙壓、自然循環(huán)、臥式、無補燃的余熱鍋爐，露天臥式布置全懸吊結構。余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器設計流量為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。

余熱鍋爐設計最高過熱蒸汽壓力為5·909 MPa，低壓過熱蒸汽設計壓力為0·534 MPa，給水系統(tǒng)為無銅系統(tǒng)，低壓蒸發(fā)器泄漏前6個月的水汽品質(zhì)情況及控制標準見表1。其中，σSC為直接電導率，給水與凝結水泵出口σCC(氫電導率)最大值超標的原因是在線氫電導率表樹脂失效導致讀數(shù)偏大，機組供熱回水氧超標導致凝結水泵出口溶解氧最大值偏高，經(jīng)過處理后指標合格。低壓系統(tǒng)給水pH略低于DL/T 1717—2017《燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠化學監(jiān)督技術導則》中的要求范圍，其余水汽品質(zhì)指標未長時間超標。

表1 泄漏前6個月低壓系統(tǒng)水汽品質(zhì)

2 管道檢測分析結果

2.1 管內(nèi)壁表面形態(tài)

對低壓蒸發(fā)器上升管割管取樣，剖開后發(fā)現(xiàn)管子內(nèi)壁坑點密布，蝕坑大小不一，蝕坑光滑圓潤，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。通過金相顯微鏡觀察管壁截面內(nèi)壁，管內(nèi)壁表面沒有氧化膜，如圖2所示。取局部管樣通過SEM及EDS檢測表面形貌與成分，由SEM可見管樣內(nèi)壁表面有較多球狀物質(zhì)，應為腐蝕產(chǎn)物[2]。選取圖中四個部位使用EDS分析成分，結果顯示表面物質(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)應為停機后產(chǎn)生的鐵銹，表明該管段內(nèi)壁存在沖刷現(xiàn)象，無致密的氧化膜，導致停機后在室溫下產(chǎn)生銹蝕。

圖2 管內(nèi)壁形貌及金相組織

從測樣中選取7個點使用SEM測量腐蝕坑深度，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加速腐蝕的特征，即管壁無致密氧化膜、坑點密布且為馬蹄狀[3－4]。

2.2 管壁厚度檢測

對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，且直管段外弧側及彎管外弧處均有不同程度的沖刷減薄現(xiàn)象[5]；對管樣進行管壁厚度檢測，檢測結果見表2。其中，彎管外弧泄漏處減薄嚴重，壁厚僅剩1 mm左右；直管段沖刷減薄情況相對彎管外弧較輕，但入口端直管段外弧側的減薄情況比出口端直管段外弧側減薄情況嚴重，壁厚分別為2 mm和3 mm；而直管段及彎管內(nèi)弧側壁厚均為5 mm左右，無明顯減薄。

表2 管壁厚度測量結果 mm

為進一步確認低壓蒸發(fā)器泄漏原因，對蒸發(fā)器4排8列管道壁厚進行了檢測，檢測點與泄漏點一致或相近，檢測結果見表3。由壁厚檢測結果可以看出，第2、3排連接管共16根管子的壁厚減薄超過30%，最小壁厚僅1 mm，壁厚僅剩設計壁厚的20%；第1排 管 子 減 薄 量0·2 mm，最 小 壁 厚5·6 mm，占設計壁厚的93·33%。

表3 低壓蒸發(fā)器連接管壁厚檢測 mm

2.3 管材物理性能檢測

為確認管材材質(zhì)是否合格，對本次泄漏管管材進行了物理性能檢測。對管材的化學成分進行光譜分析，分析結果見表4。可見，取樣管成分中各類元素含量均在合格范圍內(nèi)，材質(zhì)符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中的相關要求。

表4 管樣成分光譜分析結果(管材型號20G)%

對管道彎管處外弧側和內(nèi)弧側的硬度與拉伸性能進行檢測，檢測結果見表5。可見，管道外弧側和內(nèi)弧側的硬度無明顯差異，且均滿足標準DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》要求。外弧側抗拉強度為405 MPa，略低于標準要求，其他拉伸性能指標均滿足標準要求。

表5 彎管硬度及拉伸性能檢測結果與標準要求

對管道內(nèi)弧側和外弧側泄漏處的金相組織進行了檢測，金相組織檢測結果如圖3所示。可見，其組織均為鐵素體＋珠光體，球化2·5級，組織無異常。

圖3 管樣金相組織

3 泄漏原因分析

結合割管管樣的內(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、金相組織均無異常，滿足相應標準要求，僅彎管處外弧側拉伸性能不合格。綜合分析管道各項物理性能，因管壁減薄量較大、坑點較多，拉伸性能降低，并非管道材質(zhì)不合格導致泄漏。

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

3)機組水汽品質(zhì)方面，除給水pH略低于標準要求范圍外，其余指標基本合格，水質(zhì)不是導致本次泄漏的關鍵因素，但給水pH與流動加速腐蝕的速率密切相關，給水pH偏低會使流動加速腐蝕加劇[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，減薄量占設計值的20%～80%。該材質(zhì)管道抗流動加速腐蝕能力不足，長期運行后易導致加熱器泄漏。

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)抗流動加速腐蝕能力不足，內(nèi)壁受介質(zhì)沖刷侵蝕情況較為嚴重，導致彎管外弧側壁厚嚴重減薄，局部承壓能力不足，最終致使管道泄漏。

4 建議

1)管材材料對流動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，不僅要考慮金屬的常規(guī)性能及價格，還應根據(jù)余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器的實際工況，將流動加速腐蝕對管道的影響納入重點考慮范圍，可以使用含適量Cr的合金材料減少流動加速腐蝕對管道的影響[11－14]。

2)運行中嚴格控制水汽品質(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以上可使流動加速腐蝕速率大幅降低[17]。

3)加強監(jiān)測。對未發(fā)生泄漏的低壓蒸發(fā)器管道定期檢測管壁厚度，對壁厚減薄超過30%的管道及時更換。同時加強對在線監(jiān)測表計的維護，定期校準pH、氫電導率等儀表，確保在線監(jiān)測水汽品質(zhì)的可靠性。