李 宇, 姜 勇, 鞏建鳴

(1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院, 南京 211816; 2.極端承壓裝備設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 211816)

水冷壁管主要用于吸收鍋爐內(nèi)高溫?zé)煔獾臒崃?。由于其?shù)量多、服役工況惡劣,常常發(fā)生爆管事故,導(dǎo)致電廠停運(yùn)[1-2]。目前,國內(nèi)水冷壁管的常用材料為20G無縫鋼,20G鋼具有良好的塑性,在其發(fā)生失效時(shí),能觀察到明顯的塑性變形,如鼓包、蠕脹以及喇叭口狀外翻變形等[6-10]。在某些特定情況下,20G鋼也會發(fā)生宏觀脆性斷裂,且在斷口處看不到明顯的塑性變形。鋼管發(fā)生脆性斷裂的原因?yàn)殇摴軆?nèi)表面發(fā)生酸腐蝕或者堿腐蝕,導(dǎo)致鋼管發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[11-17]。

某火電廠鍋爐裝置在1 a內(nèi)連續(xù)發(fā)生5次水冷壁管爆管事故。該電廠所有鍋爐的水冷壁管材料均為20G無縫鋼。管內(nèi)介質(zhì)為鍋爐水,工作溫度約為320 ℃,工作壓力約為13 MPa。筆者對失效鋼管進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn),查明了其爆管原因,以避免該類事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

水冷壁管的爆管位置均位于迎風(fēng)面,取3根爆裂水冷壁管,分別編號為試樣1～3,其宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:試樣1發(fā)生開裂,鋼管外表面僅見一條沿軸向貫穿壁厚的裂紋,裂紋周圍無明顯塑性變形,沿裂紋人工打開,可見開裂位置對應(yīng)的內(nèi)表面存在腐蝕凹坑,凹坑中附著有較厚的灰黑色及紅褐色層狀腐蝕產(chǎn)物;試樣2開裂后發(fā)生鼓起,鼓起部分的長度約為150 mm,寬度約為50 mm,主裂紋位置未見明顯變形,在鼓起的兩端可見明顯變形,將鼓起的部位人工打開,在斷口位置可見黃褐色陳舊裂紋,且在靠近外表面處有寬度為1 mm的銀灰色新鮮裂紋,說明在爆管前,該位置已經(jīng)出現(xiàn)了裂紋,鼓起處鋼管內(nèi)表面有明顯的腐蝕溝槽;試樣3發(fā)生斷裂,部分金屬在管內(nèi)高壓水的作用下直接飛出,軸向裂紋內(nèi)表面附近可見腐蝕溝槽。

圖1 試樣1～3的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對試樣1和試樣3進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:試樣1和試樣3的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 試樣1和試樣3的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 力學(xué)性能測試

在試樣1和試樣3所在水冷壁管的迎風(fēng)面和背風(fēng)面分別取常溫(25 ℃)和高溫(350 ℃)拉伸試樣,按照GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分:高溫試驗(yàn)方法》對試樣進(jìn)行常溫力學(xué)性能測試和高溫力學(xué)性能測試,結(jié)果分別如表2,3所示。由表2,3可知:水冷壁管的常溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 水冷壁管的常溫力學(xué)性能測試結(jié)果

表3 水冷壁管的高溫力學(xué)性能測試結(jié)果

1.4 腐蝕產(chǎn)物分析

分別對試樣1和試樣3的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如表4所示。由表4可知:試樣1和試樣3的腐蝕產(chǎn)物主要含有Fe和O元素,但試樣1中的Na、P元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于試樣3,試樣3中還檢測出了Cu元素。

表4 試樣1和試樣3腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果 %

分別對試樣1和試樣3的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:試樣1的腐蝕產(chǎn)物中含有鐵的氧化物(Fe2O3和Fe3O4)、碳酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、鐵酸鹽和亞鐵酸鹽等物質(zhì);試樣3的腐蝕產(chǎn)物中主要含有鐵的氧化物(Fe2O3和Fe3O4)、碳酸鹽水垢和少量Cu等物質(zhì)。

圖2 試樣1和試樣3腐蝕產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

采用掃描電鏡對試樣1的斷口進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:靠近內(nèi)表面斷口呈沿晶脆性斷裂特征,且斷裂晶界上可見明顯的腐蝕產(chǎn)物;靠近外表面斷口呈韌性斷裂的韌窩特征。說明沿晶開裂起始于內(nèi)表面,并向外表面擴(kuò)展。

圖3 試樣1斷口的SEM形貌

1.6 金相檢驗(yàn)

在試樣1和試樣3處取金相試樣,其宏觀形貌如圖4所示。由圖4可知:試樣1開裂位置和試樣3斷裂位置均存在局部減薄,試樣1減薄約1.1 mm,試樣3減薄約2.8 mm,試樣3腐蝕凹坑中可見另外一條明顯由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展的裂紋。

圖4 試樣1和試樣3金相試樣的宏觀形貌

試樣1和試樣3的金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:在試樣1腐蝕凹坑處和試樣3斷口處均可見網(wǎng)狀裂紋,放大觀察,可見其為沿晶微裂紋;試樣3內(nèi)表面的腐蝕產(chǎn)物中有黃色銅顆粒;試樣1腐蝕凹坑位置靠近外表面的珠光體球化等級為2.5級,試樣3腐蝕凹坑位置靠近外表面的珠光體球化等級為1.5級。

圖5 試樣1和試樣3的金相檢驗(yàn)結(jié)果

2 綜合分析

2.1 酸引起的應(yīng)力腐蝕開裂

為了防止碳鋼在鍋爐水中發(fā)生快速腐蝕,一般向鍋爐水中添加堿性試劑,使鍋爐水呈弱堿性。但在實(shí)際操作中,水冷壁管也會發(fā)生酸腐蝕。如爐水化學(xué)處理不當(dāng)或凝汽器泄漏會導(dǎo)致CaCl2和MgCl2等酸性雜質(zhì)進(jìn)入爐水中,在水垢下發(fā)生濃縮、水解,使局部的H+濃度升高,最終發(fā)生垢下電化學(xué)腐蝕[18]。另外,酸泄漏、酸洗不當(dāng)?shù)纫矔鹚岣g[19-20]。金屬在酸性環(huán)境下發(fā)生腐蝕時(shí),會產(chǎn)生大量氫原子,如果氫原子能夠及時(shí)擴(kuò)散到鍋爐水中,并不會造成氫脆。但如果水冷壁管壁上有垢層或較厚的腐蝕產(chǎn)物,產(chǎn)生的氫原子就會被禁錮在附著層與金屬管壁之間,導(dǎo)致氫原子擴(kuò)散進(jìn)入金屬中。由于晶界位置的缺陷較多,為氫原子的擴(kuò)散提供了通道,因此進(jìn)入金屬中的氫原子會向晶界聚集,引起沿晶開裂。氫原子還會與Fe3C反應(yīng)生成甲烷,進(jìn)而發(fā)生氫腐蝕。由于CH4分子比H2分子大得多,進(jìn)一步加劇了沿晶裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展,造成局部位置的強(qiáng)度、塑性、韌性等急劇降低。因此酸腐蝕引起的水冷壁管應(yīng)力腐蝕開裂不但表現(xiàn)為宏觀脆斷特征,還常伴隨裂紋周圍的脫碳現(xiàn)象。

該水冷壁管的腐蝕產(chǎn)物中未檢測出Cl、N等可能引起酸腐蝕的元素,而檢測出了較多的Na元素,因此可以排除酸腐蝕的可能。

2.2 堿引起的應(yīng)力腐蝕開裂

堿腐蝕一般是因?yàn)榘l(fā)生了堿性物質(zhì)的濃縮,在局部出現(xiàn)了強(qiáng)堿性環(huán)境[21-22]。碳鋼在弱堿環(huán)境中會生成Fe3O4鈍化膜,如果NaOH發(fā)生局部濃縮,不僅會破壞金屬表面鈍化膜(Fe3O4)的完整性,而且堿會直接與Fe元素反應(yīng),生成亞鐵酸鈉和氫氣,隨后亞鐵酸鈉發(fā)生水解,又生成氫氧化鈉和氧化亞鐵,氫氧化鈉繼續(xù)腐蝕金屬,氧化亞鐵被進(jìn)一步氧化,生成較為致密的Fe3O4,進(jìn)一步增加空間的封閉性。由于生成的Fe3O4較為致密,如果形成了閉塞區(qū)域,會隔離鍋爐水與腐蝕凹坑中的物質(zhì)交換,使其無法有效稀釋堿液并帶走生成的氫原子,導(dǎo)致閉塞區(qū)域一直處于高堿、高氫狀態(tài),腐蝕持續(xù)進(jìn)行,同時(shí)生成的氫原子還會進(jìn)入基體金屬中,使金屬發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂[23]。

試樣1腐蝕產(chǎn)物中檢測出了較多的Na元素及NaFeO2或者Na2FeO2等中間產(chǎn)物,證明試樣1發(fā)生了堿腐蝕,從而導(dǎo)致其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,但是試樣3中只檢測出了Na元素,并未檢出中間產(chǎn)物,原因是爐管變形或者爆管時(shí)發(fā)生振動,試樣3的腐蝕產(chǎn)物幾乎完全脫落,而且鍋爐發(fā)生泄漏后,為了防止?fàn)t管干燒,仍然會持續(xù)供水,鍋爐水持續(xù)從泄漏位置噴出,腐蝕產(chǎn)物被沖刷、稀釋、氧化。

2.3 銅的影響

銅具有良好的導(dǎo)熱性能而被廣泛應(yīng)用于蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中(如蒸汽冷凝器)[24],然而當(dāng)銅制設(shè)備發(fā)生腐蝕時(shí),其氧化物顆粒會進(jìn)入鍋爐水中[25],隨著給水系統(tǒng)進(jìn)入水冷壁管并附著在內(nèi)壁的水垢+氧化物層中,加劇了水冷壁管內(nèi)壁的腐蝕程度,最終以Cu和Fe3O4等沉積物的形式存在于腐蝕產(chǎn)物層中。

2.4 顯微組織

一般而言,由于內(nèi)壁垢層的導(dǎo)熱系數(shù)小于碳鋼,如果腐蝕產(chǎn)物層較厚,就會使局部溫度升高,如果超溫時(shí)間足夠長,就會使珠光體加速球化,導(dǎo)致超溫位置的珠光體球化等級顯著高于正常位置,但是試樣3爆管處組織僅發(fā)生了2.5級球化,這說明超溫時(shí)間并不長,即出現(xiàn)腐蝕溝槽后不久,就發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。短時(shí)間內(nèi)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂說明腐蝕介質(zhì)濃度較高。

2.5 堿的來源

發(fā)生堿腐蝕時(shí),NaOH可能的來源一般有:添加入鍋爐水中的NaOH;磷酸鹽水解產(chǎn)生的NaOH;凝汽器泄漏,含有碳酸鹽的冷卻水漏入鍋爐水中,碳酸鹽在爐水中水解產(chǎn)生NaOH;補(bǔ)給水中含有NaOH或碳酸鹽。

根據(jù)調(diào)查,該電廠采用磷酸鹽調(diào)節(jié)鍋爐水的pH值,結(jié)合腐蝕產(chǎn)物中還檢出一定量的P元素,確定引起腐蝕的NaOH主要是來自磷酸鹽的水解。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

該水冷壁管發(fā)生爆管的主要原因是堿腐蝕引起的應(yīng)力腐蝕開裂。

3.2 建議

(1) 堿腐蝕的發(fā)生位置一般都在水冷壁管的迎風(fēng)面上,且與管內(nèi)壁垢層或者氧化層較厚的位置高度相關(guān),因此建議在大修期間重點(diǎn)關(guān)注迎風(fēng)面的垢層厚度,如果發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁垢層或者氧化層厚度接近或者超過標(biāo)準(zhǔn)要求,要及時(shí)進(jìn)行酸洗除垢,避免堿性介質(zhì)聚集、濃縮。

(2) 堿腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物較厚且較為致密,很難通過酸洗的方法將其完全消除。建議對水冷壁管迎風(fēng)面進(jìn)行壁厚測量,對壁厚異常的位置進(jìn)行割管檢查,如發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)表面發(fā)生腐蝕,則需擴(kuò)大檢測比例。

(3) 建議在運(yùn)行過程中加強(qiáng)鍋爐水及補(bǔ)給水的品質(zhì)控制和監(jiān)測,嚴(yán)格控制鍋爐水的酸堿性,避免發(fā)生結(jié)垢及堿腐蝕。

(4) 銅的氧化物能夠加速水冷壁管的腐蝕,碳酸鹽等會加速水垢的形成,因此還需關(guān)注凝汽器的運(yùn)行情況和腐蝕情況。如果凝汽器發(fā)生泄漏或者腐蝕,要及時(shí)維修凝汽器并查找腐蝕原因,避免有害介質(zhì)進(jìn)入鍋爐水中。