(福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 福建 350008)

某化工廠自備2號(hào)電站鍋爐為采用單汽包、自然循環(huán)和循環(huán)流化床燃燒方式的鍋爐。該鍋爐由膜式水冷壁爐膛、汽冷式旋風(fēng)分離器和由汽冷包墻包覆的尾部豎井組成，其中，膜式水冷壁爐膛內(nèi)配有屏式過熱器和水冷蒸發(fā)屏。鍋爐投產(chǎn)運(yùn)行11 800 h后，在半個(gè)月內(nèi)發(fā)生3次水冷蒸發(fā)屏爆管事故。其中，水冷蒸發(fā)屏規(guī)格為φ60 mm×6 mm，材料為20G鋼。鍋爐額定蒸發(fā)量為130 t·h-1，高溫過熱蒸汽出口壓力為9.81 MPa，出口蒸汽溫度為540 ℃，給水溫度為215 ℃，鍋筒飽和水溫度為318 ℃。為了查明水冷蒸發(fā)屏爆管發(fā)生的原因，保障鍋爐安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，筆者對(duì)該鍋爐爆管原因進(jìn)行了分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

圖1 2號(hào)鋼管爆口的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of No.2 steel tube

對(duì)3次爆管的水冷蒸發(fā)屏鋼管爆口進(jìn)行宏觀觀察，3次爆管的鋼管分別編號(hào)為1，2，3號(hào)。1號(hào)鋼管的爆口位于右水冷蒸發(fā)屏下穿墻橫管下數(shù)第4根(澆注料內(nèi))，爆口直徑為10 mm，鋼管未出現(xiàn)脹粗現(xiàn)象。由于操作人員對(duì)爆口處進(jìn)行堆焊搶修后鍋爐重啟運(yùn)行，無法查看1號(hào)鋼管內(nèi)壁的情況。2號(hào)鋼管的爆口位于右水冷蒸發(fā)屏下部前數(shù)第6根澆注料上方5 mm處，其宏觀形貌如圖1所示?？梢娫摫诔屎颂覡睿L度為40 mm，寬度為25 mm，鋼管未出現(xiàn)脹粗現(xiàn)象，爆口呈現(xiàn)出脆性爆破的特征。沿縱向剖開管段后，可見其內(nèi)壁有潰瘍狀腐蝕坑，腐蝕坑區(qū)域有較厚的黑色沉積物，該沉積物質(zhì)地較硬且不易剝落。敲除部分沉積物后，管壁表面呈磚紅色。2號(hào)鋼管管壁其他部位被紅銹覆蓋。3號(hào)鋼管的爆口位于左水冷蒸發(fā)屏前數(shù)第2根和第20根澆注料上方5 mm處，該鋼管的內(nèi)壁腐蝕坑形貌和2號(hào)鋼管的類似。

對(duì)2，3號(hào)鋼管爆口同高度的左、右水冷蒸發(fā)屏全部鋼管的管壁厚度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)左水冷蒸發(fā)屏前數(shù)第1，7，12，19，21根鋼管管壁減薄較嚴(yán)重，剖開第1根鋼管，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)壁結(jié)垢較多，管壁減薄處有腐蝕坑，如圖2所示?，F(xiàn)場檢查運(yùn)行記錄后發(fā)現(xiàn)，該鍋爐為配合生產(chǎn)線需要存在超負(fù)荷運(yùn)行情況，運(yùn)行蒸發(fā)量在90～161 t·h-1波動(dòng)。此外，該鍋爐還發(fā)生過多起爐床超溫結(jié)焦事故。

1.2 化學(xué)成分分析

在2，3號(hào)鋼管的爆口附近取樣，使用FOUNDR-MASTER PRO型全譜火花直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可知，2，3號(hào)鋼管的化學(xué)成分符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對(duì)20G鋼的技術(shù)要求。

圖2 第1根鋼管內(nèi)壁的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of inner wall of the first steel tube

%

1.3 金相檢驗(yàn)

在2號(hào)鋼管內(nèi)壁的腐蝕坑部位和其他未腐蝕部位分別取樣，將試樣打磨、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，使用Axio Observer.A1m型研究級(jí)倒置萬能顯微鏡對(duì)浸蝕前的腐蝕坑部位試樣、浸蝕后的腐蝕坑部位試樣、未腐蝕部位試樣進(jìn)行顯微組織觀察，如圖3所示?？梢娊g前腐蝕坑部位有裂紋，見圖3a)；浸蝕后腐蝕坑部位的顯微組織為鐵素體+珠光體,未發(fā)現(xiàn)球化的珠光體，這說明鋼管不存在高溫老化現(xiàn)象；腐蝕產(chǎn)物為層狀，基體晶界有微裂紋，在基體與腐蝕產(chǎn)物的交界處腐蝕產(chǎn)物沿晶間裂紋向基體方向延伸，見圖3b)；未腐蝕部位顯微組織為鐵素體+珠光體，見圖3c)。

圖3 2號(hào)鋼管不同部位的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of different parts of No.2 steel tube: a) corrosion pit part before erosion; b) corrosion pit part after erosion; c) non corrosive part

1.4 微觀分析

在2號(hào)鋼管的爆口和內(nèi)壁取樣，采用SUPRA 55型掃描電鏡(SEM)對(duì)試樣進(jìn)行觀察，可見爆口斷面有裂紋和孔洞，見圖4a)；爆口處腐蝕坑腐蝕產(chǎn)物剝落后表面有網(wǎng)狀裂紋和氣泡狀蝕孔，見圖4b)；鋼管內(nèi)壁部分結(jié)垢處存在小腐蝕坑，見圖4c)。

圖4 2號(hào)鋼管爆口和內(nèi)壁的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of burst and inner wall of No.2 steel tube: a) burst section; b) corrosion pit of burst; c) inner wall of steel tube

對(duì)2號(hào)鋼管爆口腐蝕坑[圖4b)中A區(qū)域]和非爆口內(nèi)壁結(jié)垢處[圖4c)中B區(qū)域]用X-max 50型能譜儀(EDS)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果分別如圖5和圖6所示。可見鋼管爆口腐蝕坑處氯元素較富集，腐蝕坑外氧元素較富集，推測腐蝕坑由氯離子與溶解氧的電化學(xué)腐蝕作用而形成。鋼管非爆口內(nèi)壁結(jié)垢區(qū)域的小腐蝕坑處存在多種元素，推測垢層中有磷酸鹽等。

圖5 2號(hào)鋼管爆口腐蝕坑及其附近的EDS分析結(jié)果及元素分布情況Fig.5 EDS analysis result and element distribution of corrosion pit and its nearby of burst of No.2 steel tube

圖6 2號(hào)鋼管非爆口內(nèi)壁結(jié)垢處的EDS分析結(jié)果及元素分布情況Fig.6 EDS analysis result and element distribution of fouling area on the inner wall away from burst of No.2 steel tube

1.5 垢層分析

根據(jù)DL/T 1151.1～1151.22-2012《火力發(fā)電廠垢和腐蝕產(chǎn)物分析方法》，對(duì)左水冷蒸發(fā)屏前數(shù)第1根鋼管內(nèi)壁非腐蝕坑處的垢層密度和組成進(jìn)行分析，結(jié)果顯示垢層密度為234.0 g·m-3，結(jié)垢較嚴(yán)重，垢層的組成如表2所示。由表2可見，垢層的組成物質(zhì)具有多樣性。

1.6 腐蝕產(chǎn)物的X射線衍射分析

對(duì)2號(hào)鋼管爆口處的腐蝕產(chǎn)物取樣，采用Rigaku ultima III型X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行X射線衍射分析。由圖7可見，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4并有少量Fe2O3。對(duì)這兩相的衍射峰強(qiáng)度進(jìn)行定量分析，可得到Fe3O4和Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為93.9%和6.1%。

表2 水冷蒸發(fā)屏鋼管垢層的組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Compositions of scale layer of water-cooled evaporation screen (mass fraction) %

圖7 2號(hào)鋼管腐蝕產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果Fig.7 XRD analysis result of corrosion product of No.2 steel tube

1.7 水氣質(zhì)量分析

根據(jù)GB/T 12145-2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》的要求，鍋爐給水應(yīng)采用爐水固化堿化劑(磷酸鹽和氫氧化鈉)處理的還原性全揮發(fā)處理鍋爐水。抽查鍋爐投運(yùn)以來水氣質(zhì)量監(jiān)督的化驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)監(jiān)督指標(biāo)存在超標(biāo)現(xiàn)象，其中，蒸汽品質(zhì)主要的監(jiān)督項(xiàng)目二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到50 600 μg·kg-1，遠(yuǎn)超GB/T 12145-2016中二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于15 μg·kg-1的要求，鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到47 010 μg·kg-1，遠(yuǎn)超GB/T 12145-2016中鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5 μg·kg-1的要求,給水溶解氧的質(zhì)量濃度最高達(dá)到681 μg·L-1，遠(yuǎn)超GB/T 12145-2016中溶解氧的質(zhì)量濃度不大于7 μg·L-1的要求；大部分鍋爐給水、鍋爐水的pH和磷酸根含量不符合GB/T 12145-2016的要求，推測是由于鍋爐運(yùn)行不規(guī)范、負(fù)荷波動(dòng)大、排污不到位導(dǎo)致多項(xiàng)水氣指標(biāo)存在超標(biāo)。

近年來，隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，秸稈能源化利用得到了高度重視，國家相繼出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)和支持相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策法規(guī)。在這些政策法規(guī)的鼓勵(lì)和支持下，國內(nèi)生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，截至2009年底，全國已有生產(chǎn)廠家260余處，生產(chǎn)能力每年約76. 6 萬t[13]。國內(nèi)生物質(zhì)固體成型燃料主要用作農(nóng)村居民戶用炊事、取暖、住宅區(qū)取暖、工業(yè)鍋爐以及發(fā)電廠等的燃料，可減少一次能源的損耗，增加生態(tài)效益；減少溫室氣體排放，增加環(huán)境效益；為農(nóng)民增收，增加社會(huì)效益[14]。

2 分析與討論

從上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，失效鋼管的化學(xué)成分及顯微組織均符合相關(guān)技術(shù)要求，鋼管材料不存在問題。對(duì)照文獻(xiàn)[1-3]可知鍋爐發(fā)生爆管不是垢下堿腐蝕、水垢阻礙熱傳導(dǎo)而形成局部過熱爆管、氫損傷等原因造成，而是由其他原因綜合造成。

2.1 垢下氧腐蝕

水氣系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)離子導(dǎo)致鋼管表面出現(xiàn)結(jié)垢和腐蝕等現(xiàn)象，在氧超標(biāo)時(shí)就會(huì)造成垢下氧腐蝕。鍋爐給水一般經(jīng)過嚴(yán)格的脫氧處理，但如果脫氧效果不好，給水中氧元素濃度就會(huì)超標(biāo)。大量氧元素的侵蝕會(huì)使鍋爐鋼管內(nèi)壁表面發(fā)生電池反應(yīng)形成坑狀腐蝕或局部腐蝕從而導(dǎo)致鋼管失效[3-5]。腐蝕反應(yīng)機(jī)理如下

陽極區(qū)反應(yīng)

Fe→Fe2++2e-

(1)

陰極區(qū)反應(yīng)

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

后續(xù)反應(yīng)

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(3)

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓

(4)

(5)

由于鍋爐給水中的氧元素濃度長期超標(biāo)，氧腐蝕成為水冷蒸發(fā)屏爆管的一個(gè)主要因素，由腐蝕產(chǎn)物的XRD檢測結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物的物相組成中Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到93.9%，這與氧腐蝕的結(jié)果較吻合。由于氧濃度增大有利于陰極區(qū)反應(yīng)向正向進(jìn)行，因此，當(dāng)鍋爐水中氧濃度增大時(shí)(質(zhì)量濃度最高達(dá)到681 μg·L-1)，會(huì)加大鍋爐鋼管內(nèi)壁的氧腐蝕程度。氧腐蝕通常發(fā)生在鍋爐煙道尾部的省煤器入口和水冷壁系統(tǒng)，主要由鋼管內(nèi)壁結(jié)垢引起[5]。由垢樣分析結(jié)果可知水冷蒸發(fā)屏鋼管內(nèi)壁垢量較多。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，水冷蒸發(fā)屏集箱底部排污閥不是快開閥，且鍋爐運(yùn)行中定排工作不到位，這導(dǎo)致水冷蒸發(fā)屏鋼管內(nèi)壁大量結(jié)垢，為垢下氧腐蝕提供了條件。

2.2 氯離子及氧腐蝕

水氣系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)離子中氯離子的危害較嚴(yán)重，會(huì)使鋼管表面由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，從而破壞鋼管表面的保護(hù)膜[6]。GB/T 12145-2016中對(duì)鍋爐額定工作壓力為12.7 MPa以下的鍋爐水中氯離子的濃度未做要求，所以水氣化驗(yàn)中通常未對(duì)該項(xiàng)進(jìn)行監(jiān)測。從能譜分析結(jié)果可知，鋼管爆口腐蝕坑處氯元素較富集，說明鍋爐水中存在氯離子。含氯離子的鍋爐水對(duì)碳素鋼的腐蝕性較小，但加入氧氣后，鋼表面的析氫速率會(huì)迅速增加，且鋼表面有孔蝕現(xiàn)象出現(xiàn)[7-9]。在陽極極化的條件下，介質(zhì)中的氯離子可使金屬發(fā)生孔蝕，隨著氯離子濃度的增加，孔蝕電位下降，孔蝕更容易發(fā)生并加速進(jìn)行。當(dāng)鍋爐水中同時(shí)存在氯離子和溶解氧時(shí)，鍋爐鋼管蒸發(fā)受熱面上溶解氧較多的部位與供氧受阻的部位就會(huì)形成供氧差異腐蝕電池，高溫下該腐蝕會(huì)加速進(jìn)行直到鋼管破裂[8]。腐蝕反應(yīng)機(jī)理如下

貧氧區(qū)反應(yīng)

3Fe→Fe2++2Fe3++8e-

(6)

2Fe2++1/2O2+8Cl-+H2O→2[FeCl4]+2OH-

(7)

Fe2++2Cl-→FeCl2

(8)

FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+2HCl

(9)

Fe+2HCl→FeCl2+H2

(10)

富氧區(qū)反應(yīng)

3Fe→Fe2++2Fe3++8e-

(11)

4Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH-

(12)

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(13)

4Fe(OH)2+O2→2Fe2O3+4H2O

(14)

腐蝕坑腐蝕產(chǎn)物剝落后其表面氣泡狀蝕孔內(nèi)氯元素濃度明顯較高，說明氯離子富集在蝕孔處，導(dǎo)致氧元素濃度較低形成貧氧區(qū)，蝕孔外氧元素濃度較高形成富氧區(qū)。

2.3 其他因素

由于鍋爐存在較大的負(fù)荷波動(dòng)，其運(yùn)行蒸發(fā)量最高時(shí)達(dá)到157 t·h-1，最低時(shí)為90 t·h-1，爐床發(fā)生過多次超溫結(jié)焦事故造成停爐，這些因素會(huì)造成鍋爐的水冷壁和水冷蒸發(fā)屏鼓包，還會(huì)導(dǎo)致水冷蒸發(fā)屏的受熱面鋼管產(chǎn)生低頻高強(qiáng)度周期性應(yīng)力。當(dāng)腐蝕產(chǎn)生后，在周期性應(yīng)力的作用下，鋼管的管壁膨脹導(dǎo)致其表面的氧化膜和腐蝕產(chǎn)物剝落或破裂，暴露出的鋼管表面受到滲入介質(zhì)(氯離子、溶解氧)的腐蝕后形成微孔和裂紋，裂紋在下一個(gè)膨脹周期繼續(xù)加深，最終導(dǎo)致爆管。

3 結(jié)論及建議

鍋爐由于運(yùn)行不規(guī)范及排污不到位，多項(xiàng)水氣指標(biāo)存在超標(biāo)，造成水冷蒸發(fā)屏鋼管內(nèi)壁結(jié)垢，加上鍋爐給水中氧元素濃度長期嚴(yán)重超標(biāo)引起垢下氧腐蝕、氯離子及氧腐蝕，在周期性應(yīng)力的作用下，管壁上形成裂紋且裂紋不斷加深，最終導(dǎo)致爆管。

建議加強(qiáng)檢查以確保鍋爐鍋筒、水冷蒸發(fā)屏進(jìn)口集箱和水冷壁下集箱等排污系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；加強(qiáng)檢驗(yàn)監(jiān)督，提高鍋爐給水和鍋爐水品質(zhì)，加強(qiáng)水氣化驗(yàn)結(jié)果的可靠性、及時(shí)性和聯(lián)動(dòng)性，發(fā)現(xiàn)水氣質(zhì)量超標(biāo)時(shí)及時(shí)處理；禁止鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行，保持其平穩(wěn)運(yùn)行；有條件停爐時(shí)，需對(duì)水冷蒸發(fā)屏鋼管進(jìn)行普查，對(duì)發(fā)生減薄的管段進(jìn)行更換處理；停爐時(shí)做好保養(yǎng)，有條件時(shí)開展化學(xué)清洗。