路寶璽
(上海賽科石化股份有限責(zé)任公司,上海 201507)
省煤器是現(xiàn)代鍋爐中不可或缺的部件,其通過使高溫?zé)煔夂屠渌l(fā)生熱交換,利用即將排入空氣的煙氣余熱加熱冷水,達(dá)到“省煤”的目的。省煤器的泄漏已經(jīng)成為影響鍋爐正常運行的多發(fā)故障,省煤器管道中因為有煙氣的存在,會受到煙氣酸露點的影響,換熱管的內(nèi)壁即會產(chǎn)生酸露點腐蝕的現(xiàn)象。當(dāng)酸露點腐蝕達(dá)到一定的程度后,容易導(dǎo)致管道產(chǎn)生裂紋甚至導(dǎo)致管道泄漏,可能引起重大安全事故。在國內(nèi)省煤器換熱管的失效多是由于腐蝕穿透引起的,每次停爐不僅影響鍋爐整體的供熱、供汽任務(wù),而且啟停耗費時間長、費用高,還引起鍋爐整體設(shè)備使用壽命的損耗。因此,在運行過程中如何保護(hù)省煤器,減少其泄漏和停爐的次數(shù),具有十分重要的意義[1]。
某化工企業(yè)的一省煤器裝置服役約7 a后,其管程多組列管發(fā)生開裂,脫鹽水泄漏嚴(yán)重。該裝置內(nèi)部共有28組列管,采用雙排管形式排列,材質(zhì)為SS304不銹鋼,規(guī)格為φ42 mm×4 mm,管道間的連接彎管安裝在煙道的外端以便于檢修。管程介質(zhì)為脫鹽水,進(jìn)口溫度正常情況下為60~70 ℃,但在開車階段(約1~2個月)會有40 ℃甚至更低的脫鹽水流進(jìn)裝置中,出口溫度正常情況下約為80 ℃,其進(jìn)/出口壓力為0.80~0.88 MPa,壓降小于0.08 MPa;殼程介質(zhì)為煙氣,其進(jìn)口溫度約170 ℃(最高溫度約200 ℃),出口溫度約130 ℃,流速約10 m/s,煙氣組成成分的體積分?jǐn)?shù)分別為11.09%CO2、10.54%H2O、74.77%N2、3.6%O2,正常情況下SO2的含量為40~60 mg/m3,最高約為100 mg/m3。該省煤器管程逆流運行,即低溫脫鹽水從煙氣低溫端流進(jìn),而通常的順流運行情況為低溫脫鹽水從煙氣高溫端流進(jìn),這增加了煙氣酸露點出現(xiàn)的可能性。泄漏的列管有18組,分布位置如圖1所示,泄漏位置位于低溫進(jìn)水端管束外壁的翅片根部,共17組,另有一處位于中部支撐板的底部。本工作通過一系列理化檢測手段對管束開裂的原因進(jìn)行了分析。
圖1 開裂位置示意圖(省煤器俯視圖)(單位:mm)Fig. 1 Schematic diagram of cracking position(top view of coal saver)(Unit: mm)
開裂管束宏觀形貌見圖2。省煤器泄漏位置位于低溫進(jìn)水端擋板附近,距離擋板約70 mm(圖2a)。測量開裂管束無裂紋處及裂紋處的壁厚,未發(fā)現(xiàn)減薄的情況。移除管束外壁翅片后(圖2b),發(fā)現(xiàn)沿著裂紋紋路走向的列管外壁有棕黃色銹層等物質(zhì)覆蓋。對開裂管束進(jìn)行著色滲透探傷(圖2c),發(fā)現(xiàn)環(huán)向裂紋和少許軸向裂紋,其中環(huán)向裂紋可以判定位于翅片根部。
圖2 開裂管束宏觀形貌Fig. 2 Macroscopic appearance of cracked tubes
管束裂紋打開后的宏觀形貌如圖3所示,通過機(jī)械手段分別將管束的軸向裂紋、環(huán)向裂紋打開,發(fā)現(xiàn)裂紋裂口斷面呈脆性斷裂特征,其壁厚基本并無減薄且斷口上有腐蝕產(chǎn)物。為了進(jìn)一步觀察斷口表面的形貌特征,通過Hitachi S - 3400N掃描電子顯微鏡對打開的斷口表面進(jìn)行形貌觀察及能譜分析。圖4為圖3a中1號方框、2方框區(qū)域的高倍電鏡圖,圖5為圖3b中3號方框、4號方框區(qū)域的高倍電鏡圖,由圖4均可明顯觀察到斷口表面有穿晶解理特征,其中從圖4可發(fā)現(xiàn)斷口表面存在二次裂紋。除靠近內(nèi)壁部分為機(jī)械打開導(dǎo)致的材料塑性變形外,斷口其他位置沒有明顯的塑性變形現(xiàn)象,結(jié)合開裂管束宏觀形貌可知管束裂紋是外壁起裂導(dǎo)致的[2]。對打開的斷口表面進(jìn)行了能譜分析,結(jié)果如圖6所示,檢測結(jié)果顯示表面主要組成元素為Fe、Cr、Ni,另外發(fā)現(xiàn)了少量的P、Na、Ca、Mn、Cl、S、C、O等元素,其中S、Cl是304不銹鋼材料應(yīng)力腐蝕開裂的敏感元素,推測可能是Cl和/或S所引起的應(yīng)力腐蝕開裂[3]。為查明斷口表面殘余元素的來源,對鍋爐燃燒歷史進(jìn)行考證,發(fā)現(xiàn)原鍋爐一直燒燃料油,而2018年12月以后的鍋爐燃燒過一段時間含水廢油(500 kg/h),通過對其水樣的分析可知,含水廢油中含少量的Cl-(185 mg/L)以及較高濃度的Na+(1 350 mg/L)以及磷元素(以P計,538 mg/L),因此可以推斷出斷口表面的Na以及Cl元素源于含水廢油,而元素S主要源于燃料油。
圖3 管束裂紋打開后的宏觀形貌Fig. 3 Macro morphology of cracks of tubes after opening
圖4 軸向裂紋斷口掃描電鏡微觀形貌Fig. 4 Scanning electron morphology microscopy of axial cracks fracture
圖5 環(huán)向裂紋斷口掃描電鏡微觀形貌Fig. 5 Scanning electron morphology microscopy of circumferential cracks fracture
圖6 裂紋斷口的能譜Fig. 6 EDS of crack fracture
管程介質(zhì)為脫鹽水,其成分對不銹鋼的管束并不具有腐蝕性,而殼程介質(zhì)為煙氣,其組分中含有少量的SO2,有文獻(xiàn)[4]表明,含SO2的煙氣存在酸露點,當(dāng)煙氣的溫度低于酸露點時不銹鋼材質(zhì)的管束會有發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的可能性。盡管省煤器煙氣出口溫度約為130 ℃,高于理論[5,6]上預(yù)測的酸露點,但該測量溫度僅表征了煙道出口位置的煙氣溫度,其并不能代表整個煙道內(nèi)部煙氣溫度的分布情況。一些死角區(qū)域的煙氣溫度無法測量,又因為裝置進(jìn)水端未設(shè)恒溫裝置,其開車階段(1~2個月)脫鹽水溫度在25~40 ℃,極可能使得內(nèi)部煙氣出現(xiàn)凝聚,因此計算更為準(zhǔn)確的酸露點,對于未安裝進(jìn)水恒溫裝置的省煤器來說尤為重要。
用線切割的方式沿環(huán)向切取含有裂紋的管道,依據(jù)GB/T 13298-2015“金屬顯微組織檢驗方法”對得到的剖面試樣進(jìn)行金相分析[7]。試樣通過熱鑲、磨制、拋光后,采用王水試劑進(jìn)行化學(xué)侵蝕,可在試樣表面觀察到裂紋擴(kuò)展情況,化學(xué)侵蝕后裂紋剖面宏觀形貌見圖7。
圖7 化學(xué)侵蝕后裂紋剖面的宏觀形貌Fig. 7 Macro morphology of crack profile after chemical erosion
采用ZEISS Axio Observer A1m研究級倒置萬能材料顯微鏡觀察金相試樣的組織形態(tài)。圖8a為50倍下的金相拋光態(tài)形貌,可以看出裂紋由外壁擴(kuò)展至內(nèi)壁,呈樹枝狀;圖8b為200倍下侵蝕后的裂紋尖端金相形貌,可以看出其金相組織正常,為奧氏體,晶粒度為4級,裂紋以穿晶型開裂為主。
圖8 裂紋顯微組織形貌Fig. 8 Microstructure morphology of cracks
由于管束的環(huán)向裂紋均位于管束的翅片根部,為探討翅片焊接的影響,用線切割的方式沿軸向切取未開裂管道(帶有翅片),得到點焊連接的剖面試樣進(jìn)行金相分析。翅片焊接處的宏觀示意及顯微組織形貌見圖9。
圖9 翅片焊接處的宏觀示意及顯微組織形貌Fig. 9 Maro schematic diagram and microstructure morphology at fin welding
由圖9b可知,翅片與管道間存有縫隙,并不是完全焊接在一起的。采用王水試劑對試樣進(jìn)行化學(xué)侵蝕,觀察9c、9d可知,焊接處并不存在熱影響區(qū),圖9d為翅片根部左右兩側(cè)的進(jìn)一步放大形貌,發(fā)現(xiàn)翅片兩側(cè)微翹,若煙道中有凝液或雜質(zhì)產(chǎn)生,會優(yōu)先在該處積聚。
由管束裂紋宏觀特征結(jié)合斷口掃描電鏡形貌可知,環(huán)向裂紋與軸向裂紋的斷口微觀形貌特征相似,都具有穿晶的解理特征。對斷口表面進(jìn)行能譜分析時,檢測到斷口區(qū)域上都存在S和Cl元素,這些元素都是導(dǎo)致304不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的敏感介質(zhì)。裂紋處金相組織正常,為奧氏體組織;裂紋均由外壁起裂進(jìn)而擴(kuò)展至內(nèi)壁,呈樹枝狀。對翅片與管束的焊接處進(jìn)行金相分析時發(fā)現(xiàn),翅片根部存有縫隙且兩側(cè)微微翹起,當(dāng)煙道中有凝液或雜質(zhì)產(chǎn)生時,其會優(yōu)先在翅片根部積聚。綜上所述可知,若煙道內(nèi)部某些低溫進(jìn)水區(qū)和/或死角區(qū)局部的煙氣溫度達(dá)到了煙氣的酸露點,凝液會在翅片下方積聚,那么煙氣中的S、Cl元素會在此處積聚濃縮,快速導(dǎo)致管束開裂,因此列管所形成的裂紋極大可能是應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的開裂,裂紋形成模擬示意圖如圖10所示。
圖10 裂紋形成模擬示意圖Fig. 10 Cracks formation simulation diagram
綜上,判斷此次失效裝置其泄漏的管束發(fā)生的是應(yīng)力腐蝕開裂,列管在敏感介質(zhì)、管束受力以及酸露點3者的共同作用下出現(xiàn)開裂并發(fā)生擴(kuò)展,最終造成失效。計算此次失效裝置中煙氣的酸露點溫度尤為重要,在工廠實際設(shè)備運行的狀態(tài)下,使用Muller曲線[5]以及Verhoff & Banchero估算公式[6]得出的酸露點溫度,往往結(jié)果過于保守而誤差較大。依據(jù)以往經(jīng)驗,實際工況下即便管程的進(jìn)水溫度低于根據(jù)以上方式預(yù)估得到的露點溫度20 ℃甚至更低,也能完好地運行10多年。
在我國電力設(shè)計和鍋爐設(shè)計部門,為了預(yù)測或預(yù)防燃煤鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕風(fēng)險,廣泛采用或引用了前蘇聯(lián)鍋爐機(jī)組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法中煙氣酸露點計算方法[8]。
查閱文獻(xiàn)[9,10],得到前蘇聯(lián)鍋爐熱力計算標(biāo)準(zhǔn)中的煙氣酸露點溫度經(jīng)驗計算公式,對本次省煤器中硫的最大體積分?jǐn)?shù)為0.01%的煙氣進(jìn)行酸露點計算,過程如下:
(1)
n=αflyASP.KJ
(2)
(3)
(4)
式中tld—— 水露點溫度,℃
SSP.KJ—— 燃料折算硫分
ASP.KJ—— 燃料折算灰分
αfly—— 飛灰份額
Qnet.ar—— 燃料低位發(fā)熱量,kJ/kg
Aar—— 煤的收到基灰分,%
Sar—— 煤的收到基硫分,%
式(1)中的201是與過量空氣系數(shù)α有關(guān)的系數(shù),當(dāng)α=1.4~1.5時,β=208,當(dāng)α=1.2時,β=195;Sar為0.01%;由于是燃油鍋爐,其產(chǎn)生的灰分很少,查閱相關(guān)資料[11-13]可知燃油鍋爐所產(chǎn)生的極限灰分為0.15%,于是取Aar為0.15%;飛灰份額αfly取0.9;燃料低位發(fā)熱量Qnet.ar取10 300 kJ/kg[11]。
可初步計算煙氣中水蒸氣的露點溫度tld:已知煙氣的組分(體積分?jǐn)?shù))為10.54%H2O,11.09%CO2,74.77%N2,3.6%O2,則含濕量d:
(5)
其中:mH2O為煙氣中水的質(zhì)量,g;m干空氣為與mH2O并存的干空氣質(zhì)量,g。
又因為:
(6)
其中:Pv為水蒸氣的分壓,Pa;p為煙氣進(jìn)口壓力,Pa。已給壓力值為80 mmH2O,即P表=782.4Pa,根據(jù)p=P大氣+P表=101 325+782.4 = 102 107.4 Pa。
綜合式(5)、(6),可得:
Pv=10 375.44 Pa=0.010 375 44 MPa
(7)
水蒸氣分壓力Pv,所對應(yīng)的飽和溫度就是露點,根據(jù)Pv= 0.010 375 44 MPa,查飽和水與飽和水蒸氣的熱力性質(zhì)(按壓力排序)表[13],查得tld=46.4 ℃(插值法),即為煙氣中水蒸氣的露點溫度。
將算得的水蒸氣的露點溫度帶入(1)式中,可得:
(8)
最終算得本次失效省煤器的煙氣酸露點tsld約為66.2 ℃。
省煤器管程低溫進(jìn)水端的溫度一般在60~70 ℃,而計算得到的煙氣酸露點值約為66.2 ℃,其正好介于進(jìn)水端的溫度區(qū)間內(nèi),并且泄漏區(qū)為流通死角區(qū)域,煙氣在此處幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài),更容易在存有縫隙的翅片根部凝結(jié)后積聚濃縮,因此低溫進(jìn)水端的死角區(qū)(擋板或支撐板附近)的管束有很高的應(yīng)力腐蝕風(fēng)險。又由于裝置開啟階段(1~2個月),其進(jìn)水溫度處于40 ℃甚至更低,這進(jìn)一步加大了煙氣凝結(jié)的風(fēng)險。
(1)酸露點形成原因 在化工行業(yè)中,將不飽和氣體冷卻到飽和狀態(tài)時的溫度稱為露點,其具體是指:在溫度一定的情況下,開始從氣相中分離出第一批液滴的壓力;或在壓力一定的情況下,開始從氣相中分離出第一批液滴的溫度。當(dāng)流體所含腐蝕性介質(zhì)種類不同時,其露點腐蝕的機(jī)理也不同[14]。對于省煤器系統(tǒng)而言,煙氣出來的溫度一般高于煙氣露點,但局部位置溫度低于露點時,則會出現(xiàn)酸露點腐蝕。
低溫露點腐蝕主要發(fā)生在加熱爐或換熱器(省煤器)低溫段與煙氣密切接觸處,其腐蝕機(jī)理為:含有硫元素的燃料通過鍋爐燃燒后,硫全部生成SO2,由于加熱爐采用過氧燃燒,故少量的SO2會進(jìn)一步生成SO3;高溫?zé)煔庵械腟O3氣體不腐蝕金屬,而SO3與水蒸汽化合生成的H2SO4蒸汽會顯著提高煙氣的露點溫度,當(dāng)煙氣(或冷端)溫度降至露點以下時,其將會在低溫金屬表面上凝結(jié)形成硫酸凝液,與堿性灰及金屬反應(yīng)生成大量淺黃色的腐蝕產(chǎn)物FeSO4·H2O[4,15,16]。
(2)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)的機(jī)理 由檢驗分析結(jié)果可知,管束泄漏處壁厚并沒有減薄的現(xiàn)象,而是由外壁起裂呈樹枝狀向內(nèi)壁擴(kuò)展,是應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)所致。
從開裂斷口表面的腐蝕產(chǎn)物中含有S和Cl元素,可推斷煙氣中含有腐蝕介質(zhì)氯離子。因此可以進(jìn)一步推得,在第一批硫酸液滴凝結(jié)時,煙氣中的氯離子會大量溶解于形成的凝液中;含有高濃度Cl-的凝液在由列管受熱膨脹而產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力作用下,使得翅片根部產(chǎn)生環(huán)向裂紋,引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂。其腐蝕特征為:宏觀斷口多呈脆性斷裂,幾乎無宏觀塑性變形;裂紋呈樹枝狀,其中環(huán)向裂紋(主裂紋)在列管受熱膨脹而產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力的作用下形成,而軸向裂紋則是在列管內(nèi)壓作用產(chǎn)生的周向拉應(yīng)力的作用下形成;裂紋斷面失去金屬光澤,有腐蝕痕跡。
綜3.3節(jié)所述,管束開裂由酸露點腐蝕與Cl-引起的應(yīng)力腐蝕開裂共同作用導(dǎo)致。
(1)裂紋起源于外壁翅片根部,為應(yīng)力腐蝕開裂。
(2)計算得到的煙氣酸露點值約為66.2 ℃,該值正好介于低溫進(jìn)水端的溫度區(qū)間內(nèi),煙氣溫度可能降至露點以下。
(3)應(yīng)力腐蝕介質(zhì)來源為含有腐蝕敏感元素S和Cl的煙氣露點凝液。
(1)提高進(jìn)水側(cè)的溫度直至高于酸露點溫度30 ℃以上;
(2)裝置的進(jìn)水溫度并非恒溫,開停車階段時若無法避免低溫水的進(jìn)入,可添加恒溫進(jìn)水裝置來避免低溫水的流入;
(3)改進(jìn)省煤器的結(jié)構(gòu):將列管彎頭整個收進(jìn)擋板內(nèi)側(cè),并在列管彎頭處加上套管,避免其與滯留的煙氣直接接觸,從而使得列管周圍的煙氣都處于良好流通的狀態(tài)。