李憲爽, 高成龍, 程 義， 劉新星

(1. 哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司, 哈爾濱 150046;2. 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室， 哈爾濱 150046)

在飛速發(fā)展的城市化進(jìn)程中，生活垃圾的妥善處理成為經(jīng)濟(jì)、社會及環(huán)境保護(hù)所面臨的突出問題。垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)因其具有垃圾處理的合理利用化、減容減量化和無毒無害化的優(yōu)勢，成為未來城市生活垃圾處置的優(yōu)選技術(shù)[1-4]。生活垃圾的組分復(fù)雜多變、焚燒爐內(nèi)工況復(fù)雜，燃燒產(chǎn)物在爐膛內(nèi)部溫度和風(fēng)速的影響下易在焚燒爐受熱面內(nèi)形成堆積、黏連、腐蝕、沖刷等問題[5-7]。受熱面失效通常是多種因素共同作用的結(jié)果。

某電廠垃圾焚燒機(jī)組主蒸汽質(zhì)量流量為850 t/d，主蒸汽壓力為6.5 MPa，主蒸汽溫度為450 ℃。該機(jī)組在運行13 000 h后水冷壁集箱手孔端蓋發(fā)生泄漏，端蓋材質(zhì)為Q345R，公稱壁厚為13 mm。泄漏點在端蓋頂部，端蓋的迎風(fēng)側(cè)減薄明顯，表面凹凸不平，手孔裝置下部鋼管未發(fā)現(xiàn)減薄，集箱附近厚度檢查未發(fā)現(xiàn)異常。為了進(jìn)行全爐水壓查漏，現(xiàn)場對手孔端蓋進(jìn)行泄漏點封焊。筆者對端蓋泄漏原因進(jìn)行分析，以期為今后相關(guān)垃圾焚燒爐的安全運行和檢修提供參考。

1 試驗分析

1.1 宏觀檢查

集箱手孔端蓋宏觀形貌見圖1。由圖1可以看出：泄漏點位于手孔端蓋迎風(fēng)側(cè)靠端部位置，該區(qū)域表面未發(fā)現(xiàn)明顯積灰，其余部位存在較厚的積灰情況。樣品泄漏點已進(jìn)行現(xiàn)場補焊，泄漏點附近外表面存在腐蝕凹坑，凹坑表面較光滑，未發(fā)現(xiàn)覆蓋物；其余位置外表面存在腐蝕凹坑，凹坑表面有黃棕色覆蓋物，覆蓋物呈局部分層剝落形貌，由覆蓋物的顏色及所處環(huán)境分析，該覆蓋物應(yīng)為鐵的氧化物。

圖1 集箱手孔端蓋宏觀形貌

1.2 幾何尺寸測量

將樣品沿圖1(b)中截面剖開進(jìn)行端蓋厚度觀察發(fā)現(xiàn)，與樣品頂部及背風(fēng)側(cè)相比，迎風(fēng)側(cè)厚度明顯減薄，并且樣品存在向外膨脹、變形的情況。

在樣品截面上進(jìn)行端蓋厚度尺寸測量，測量結(jié)果見圖2。由圖2可以看出：端蓋樣品各位置壁厚均存在減薄現(xiàn)象，減薄程度為迎風(fēng)側(cè)(B點)大于背風(fēng)側(cè)(D點)，頂部(C點)大于底部(A點、E點)。

圖2 集箱手孔端蓋截面形貌及尺寸測量結(jié)果

1.3 化學(xué)成分分析

在樣品上切取化學(xué)試樣(1號試樣，見圖1(b))，采用OBLF QSN750直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可以看出：樣品的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》的規(guī)定。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.4 力學(xué)性能檢測

在樣品上切取硬度試樣(2號試樣，見圖1(b))，采用THBC-3000DD型布氏硬度計(壓頭直徑為2.5 mm，試驗力為1.839 kN)，對試樣1/2壁厚處進(jìn)行硬度檢測，測量結(jié)果分別132HBW、131HBW、132HBW。根據(jù)ASME SA-370—2021 《鋼制品力學(xué)性能試驗的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法及定義》將測量布氏硬度平均值(132HBW)轉(zhuǎn)換成近似抗拉強(qiáng)度，結(jié)果為440 MPa。結(jié)果表明，樣品由布氏硬度轉(zhuǎn)化的抗拉強(qiáng)度低于GB/T 713—2014的要求(Q345R材料抗拉強(qiáng)度在510～640 MPa)。

1.5 金相組織分析

在樣品上切取金相試樣(3號試樣，見圖1(b))，對試樣進(jìn)行粗磨、細(xì)磨和拋光后，使用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，采用AXIOVERT200MAT光學(xué)金相顯微鏡分別觀察腐蝕后試樣各位置的金相組織和晶粒度，檢測結(jié)果見表2，金相組織見圖3。

表2 金相組織檢測結(jié)果

圖3 端蓋金相組織形貌

由表2及圖3可以看出：樣品金相組織及晶粒度符合材質(zhì)特征。端蓋近外壁處組織珠光體形態(tài)消失，珠光體球化嚴(yán)重，碳化物彌散分布在鐵素體基體上；端蓋1/2壁厚及近內(nèi)壁處珠光體區(qū)域中的碳化物亦明顯分散，但區(qū)域形態(tài)尚保留。此外，樣品外表面凹凸不平，局部區(qū)域殘留灰色氧化物。

1.6 掃描電鏡及能譜分析

采用Apollo 300 型掃描電鏡及QUANTAX能譜儀對3號試樣外表面覆蓋物的內(nèi)層和外層進(jìn)行分析，結(jié)果分別見圖4和圖5。

圖5 試樣外表面覆蓋物外層能譜分析結(jié)果

由圖4和圖5可以看出：樣品外表面覆蓋物主要為鐵的氧化物，含有一定的硫元素(覆蓋物內(nèi)層硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)1.85%)

2 綜合分析

(1) 樣品的化學(xué)成分符合GB/T 713—2014對Q345R材料的規(guī)定，排除材料錯用。由樣品布氏硬度轉(zhuǎn)化的近似抗拉強(qiáng)度低于GB/T 713—2014對Q345R材料的規(guī)定。

(2) 通過樣品整體宏觀形貌和現(xiàn)場照片可知，樣品發(fā)生輕微膨脹、變形，壁厚均發(fā)生減薄，壁厚減薄情況為：迎風(fēng)側(cè)大于背風(fēng)側(cè)，頂部大于下部。

樣品表面凹凸不平，大部分區(qū)域被黃棕色物質(zhì)覆蓋，覆蓋物呈局部剝落狀態(tài)，由覆蓋物的顏色及所處環(huán)境分析，該覆蓋物應(yīng)為鐵的氧化物。這說明樣品外表面受到腐蝕作用，產(chǎn)生了腐蝕凹坑并發(fā)生壁厚減薄。其中，迎風(fēng)側(cè)外表面未發(fā)現(xiàn)明顯的覆蓋物，表面較光滑，根據(jù)樣品的實際安裝位置可知，安裝位置為焚燒爐后側(cè)，該區(qū)域位于180°的煙氣轉(zhuǎn)折區(qū)，會受到煙氣沖刷作用，煙氣沖刷會使材質(zhì)表面的氧化膜和腐蝕產(chǎn)物持續(xù)破損、脫落，導(dǎo)致不斷露出新鮮的基體，從而加速腐蝕。因此，迎風(fēng)側(cè)的腐蝕減薄程度會大于背風(fēng)側(cè)的腐蝕減薄程度。

(3) 由金相組織分析可知，整個樣品組織球化較為嚴(yán)重，近外壁處組織中的珠光體形態(tài)已經(jīng)消失，碳化物呈彌散轉(zhuǎn)態(tài)分布于鐵素體基體上，1/2壁厚及近內(nèi)壁處珠光體區(qū)域形態(tài)尚保留。結(jié)合硬度檢測結(jié)果及膨脹變形情況，判斷該端蓋經(jīng)受了超溫運行，高溫導(dǎo)致組織球化嚴(yán)重，力學(xué)性能下降，在內(nèi)部壓力的作用下，發(fā)生膨脹變形，壁厚減薄。此外，端蓋超溫運行也會促進(jìn)腐蝕的發(fā)生與加劇。

(4) 由掃描電鏡和能譜分析結(jié)果可知，樣品表面覆蓋物主要為鐵的氧化物和硫化物，判斷腐蝕介質(zhì)主要為煙氣中的硫元素，樣品表面發(fā)生的腐蝕過程為高溫硫腐蝕。

綜上所述，端蓋在運行過程中發(fā)生沖刷腐蝕并伴有高溫硫腐蝕及過熱。煙氣沖刷使材質(zhì)表面的氧化膜和腐蝕產(chǎn)物持續(xù)破損、脫落，導(dǎo)致不斷露出新鮮的基體，從而加速腐蝕。過熱運行導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，并促進(jìn)腐蝕的產(chǎn)生與加劇，使得有效截面減小，進(jìn)而導(dǎo)致截面所能承受的應(yīng)力減小，在內(nèi)部壓力的作用下發(fā)生膨脹變形，壁厚進(jìn)一步減小。因此，端蓋迎風(fēng)側(cè)在過熱和沖刷腐蝕的共同作用下，壁厚減薄嚴(yán)重，導(dǎo)致泄漏發(fā)生。

3 結(jié)語

Q345R手孔端蓋化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在集箱運行過程中發(fā)生過熱，組織球化嚴(yán)重，力學(xué)性能低于GB/T713—2014對Q345R材料的規(guī)定。

分析Q345R手孔端蓋發(fā)生泄漏的原因為：設(shè)備存在過熱運行，并且端蓋外表面發(fā)生高溫硫腐蝕，迎風(fēng)側(cè)發(fā)生沖刷腐蝕。在過熱運行與腐蝕共同作用下，端蓋壁厚減薄嚴(yán)重，不能承受其內(nèi)部工質(zhì)的壓力而發(fā)生開裂泄漏。