譚永生

（中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司 西北電力試驗(yàn)研究院，西安 710021）

0 引言

旋風(fēng)分離器作為氣-固兩相分離設(shè)備，在物料回收、氣體除塵等方面得到了廣泛的應(yīng)用。分析影響旋風(fēng)分離器受熱面管的泄露原因，對(duì)延長設(shè)備使用壽命，確保安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

旋風(fēng)分離器壁面的磨損是一個(gè)復(fù)雜的沖刷腐蝕磨損過程[2]。近年來，國內(nèi)外研究者對(duì)旋風(fēng)分離器壁面磨損現(xiàn)象進(jìn)行了一些研究。Duan等[3]研究開發(fā)了環(huán)流式旋風(fēng)分離器，利用特殊的內(nèi)外筒設(shè)計(jì)優(yōu)化流體流路，避免了內(nèi)外渦流的相互干擾，使設(shè)備運(yùn)行時(shí)磨損明顯降低，使用壽命得到了顯著延長；Sedrez等[4]研究發(fā)現(xiàn)，通過增大入口流速，旋風(fēng)分離器壁面的磨損將加劇；Mclean[5]、Reppenhagen等[6]采用實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)不同催化劑顆粒的特性及其對(duì)旋風(fēng)分離器壁面磨損的影響進(jìn)行了研究；禮曉宇等[7]測量了旋風(fēng)分離器內(nèi)部顆粒藏量，發(fā)現(xiàn)顆粒藏量主要來源于頂灰環(huán)，頂灰環(huán)周期性地脫落與重生使壁面磨損加??；魏耀東等[8]對(duì)蝸殼式旋風(fēng)分離器不可避免的磨損進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探討了分離器壁面磨損的機(jī)理；李勛等[9]采用數(shù)值模擬的方法在FLUENT平臺(tái)上計(jì)算了帶內(nèi)錐的方形擴(kuò)散式旋風(fēng)分離器壁面的磨損情況，并分析了產(chǎn)生磨損的原因，為工程設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

本文在分析國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于旋風(fēng)分離器壁面磨損研究的基礎(chǔ)上，對(duì)電廠旋風(fēng)分離器受熱面管泄漏的原因進(jìn)行研究。2×300 MW低熱值燃料資源綜合利用機(jī)組的型式為單爐膛、單汽包、自然循環(huán)、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼爐架懸吊方式、汽冷式旋風(fēng)分離器、循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐旋風(fēng)分離器入口煙道處受熱面自使用以來，已累計(jì)運(yùn)行約3724.05 h。該部件分別于2020年5月、2021年1月連續(xù)2次發(fā)生受熱面管泄漏事故，泄漏點(diǎn)位置與形貌均類似。為了分析泄漏原因，本研究對(duì)第二次事故進(jìn)行分析。此次受熱面泄漏發(fā)生在左側(cè)墻尿素噴槍B1-1正下方讓管，泄漏部位如圖1所示。管樣規(guī)格為φ60 mm×8 mm，材質(zhì)為SA-210C。

圖1 旋風(fēng)分離器泄漏位置Fig.1 Leakage location of cyclone separator

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 現(xiàn)場檢查

對(duì)泄漏管進(jìn)行現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：1）當(dāng)電廠發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)分離器受熱面管泄漏后，為防止吹損面進(jìn)一步擴(kuò)大，切開泄漏管與右側(cè)管束之間的鰭片，插入鋼板以臨時(shí)隔離蒸汽，造成泄漏口與所插鋼板之間的互吹，導(dǎo)致管子最初形貌被破壞；2）尿素噴槍B1-1、B1-2附近的受熱面表面的澆筑料損壞和減薄明顯，部分銷釘外露，有明顯的煙氣沖刷現(xiàn)象（圖1）。

查閱電廠《集控輔機(jī)運(yùn)行規(guī)程》可知，選擇性非催化還原（Selective Non-catalytic Reduction，SNCR）脫硝系統(tǒng)要求的霧化空氣壓力為0.4 MPa以上。而該設(shè)備運(yùn)行所在地的實(shí)際壓力為0.14 MPa，明顯小于運(yùn)行規(guī)程的要求。同時(shí)，現(xiàn)場檢查時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在尿素噴槍附近的澆筑料上有明顯的結(jié)晶物。

1.2 宏觀檢查

通過對(duì)泄漏管進(jìn)行宏觀分析，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)外觀呈現(xiàn)出不規(guī)則形狀的凹坑，且已貫穿，但管外壁及橫截面處未見明顯的塑性變形，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋。毗鄰泄漏點(diǎn)，沿泄漏管縱向有一道溝槽貫串銷釘根部，呈大小不一的潰瘍狀蝕坑，未見明顯的塑性變形特征，但有明顯的腐蝕形貌特征[10-11]（圖2a）。分別在泄漏口下方潰瘍形貌位置切開管樣（取樣位置見圖2a中Q1），觀察管壁形貌可見，內(nèi)壁均未見異常情況，外壁呈多源蝕坑形貌減薄。切開處最小壁厚約為5 mm（圖2b），說明管子減薄由外壁產(chǎn)生。

圖2 管段形貌Fig.2 Morphology of the segment

旋風(fēng)分離器位于水平煙道與尾部煙道之間，煙氣沖刷比較明顯，為了避免煙氣與受熱面管子直接接觸，受熱面表層敷澆筑料，而焊接銷釘?shù)哪康氖欠乐節(jié)仓蠌氖軣崦嫔厦撾x，其位置如圖3所示。從圖3可以看出，泄漏口位于銷釘焊接位置。觀察銷釘根部外表面并剖開任意一處銷釘截面，發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量不佳，存在氣孔、未焊透、焊瘤不規(guī)則等缺陷（圖4）。潰瘍狀的腐蝕坑沿著銷釘根部形成（圖4a）。

圖3 銷釘位置Fig.3 Position of the dowels

圖4 銷釘形貌Fig.4 Morphology of the dowel

1.3 性能測試

制取管樣背火面試樣（向火面因存在銷釘無法取樣），并依據(jù)GB/T 228.1—2010[12]的規(guī)定，在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明，管樣背火面抗拉強(qiáng)度（450～470 MPa）均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值（485 MPa）。為進(jìn)一步測定試樣的硬度是否達(dá)標(biāo)，對(duì)管樣進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷為187.5 kgf，加載時(shí)間為10 s。結(jié)果表明，試樣的向火面與背火面硬度差異不明顯，測試試樣硬度值（HB 128～133）低于或接近標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值（HB 130）。

1.4 金相組織分析

從泄露管取樣制備環(huán)狀金相試樣，取樣位置為圖2a中J1處。經(jīng)粗磨、拋光、浸蝕[13]后在顯微鏡下進(jìn)行觀察。其金相組織均為鐵素體+珠光體，珠光體球化約2.5級(jí)，珠光體形態(tài)明顯，組織未見異常（圖5a）。銷釘焊縫金相組織為鐵素體+貝氏體（珠光體）+碳化物，并存在魏氏組織形態(tài)，組織不均勻（圖5b）。剖開外壁存在潰瘍狀腐蝕形貌的部位進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)外壁有多處腐蝕坑，深度為50～150 μm（圖6）。

圖5 金相組織照片F(xiàn)ig.5 Metallographic photo

圖6 外壁潰瘍形貌切面照片F(xiàn)ig.6 Profile and section photo of ulcer on the outer wall

1.5 微觀觀察

在掃描電鏡下對(duì)管樣潰瘍狀減薄處進(jìn)行觀察分析。為保留蝕坑內(nèi)的殘留物的形貌未對(duì)試樣進(jìn)行清洗。觀察發(fā)現(xiàn)蝕坑殘留物中存在結(jié)晶狀物質(zhì)（圖7）。對(duì)蝕坑內(nèi)結(jié)晶物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，該殘留物除基體金屬元素外，還含有一定數(shù)量的C、N、O等元素。

圖7 腐蝕坑及結(jié)晶物形貌Fig.7 Morphology of corrosion pits and crystals

2 分析與討論

以上分析表明，試樣拉伸強(qiáng)度和布氏硬度接近或低于標(biāo)準(zhǔn)值，管材組織未見異常，不存在超溫過熱及組織老化現(xiàn)象。

泄漏點(diǎn)位于尿素噴槍正下方，管子表面發(fā)現(xiàn)1條明顯的腐蝕溝槽，呈潰瘍狀沿銷釘根部分布，初步分析是腐蝕介質(zhì)沿著銷釘流動(dòng)并腐蝕管道。運(yùn)行規(guī)程及相關(guān)文獻(xiàn)[14]表明，30～80 μm的噴嘴霧化粒徑較為合適，噴射壓力應(yīng)控制在0.4～0.8 MPa，液滴粒度與射程才能得到保障。而檢查發(fā)現(xiàn)SNCR脫硝系統(tǒng)尿素噴槍霧化空氣壓力僅為0.14 MPa。霧化空氣壓力過低會(huì)導(dǎo)致噴射距離變小，霧化液滴粒徑變大，尿素溶液便會(huì)滴落在噴槍下方。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，在高溫?zé)煔鉀_刷下，部分澆筑料脫落，銷釘最先浮出表面，尿素介質(zhì)滴落在澆筑料上，順著銷釘流向根部角焊縫，銷釘根部焊接質(zhì)量不佳為腐蝕介質(zhì)停留提供場所[15]。銷釘焊縫組織中存在魏氏體組織，組織不均勻，會(huì)成為優(yōu)先腐蝕區(qū)[16]?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)尿素噴槍附近的澆注料上有明顯的結(jié)晶物，通過掃描電鏡微觀觀察也發(fā)現(xiàn)潰瘍狀蝕坑內(nèi)部存在結(jié)晶物質(zhì)。經(jīng)能譜分析，結(jié)晶物除含有基體金屬元素外，還有一定數(shù)量的C、N、O等元素，與尿素溶液成分一致。隨著腐蝕的進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致管子沿腐蝕介質(zhì)流動(dòng)方向形成較深的溝壑狀腐蝕減薄，最終無法承受內(nèi)部介質(zhì)的壓力，在銷釘根部發(fā)生泄漏。

尿素溶液對(duì)管樣的腐蝕既有化學(xué)性腐蝕，也有電化學(xué)腐蝕[17-20]。尿素水解過程中會(huì)發(fā)生中間反應(yīng)（1），生成氨基甲酸銨（NH2COONH4），水解的氨基甲酸根（COONH2-）導(dǎo)致的化學(xué)腐蝕。COONH2-在高溫高壓下的還原性較強(qiáng)，會(huì)對(duì)金屬表面的氧化物保護(hù)膜起到破壞作用，使低合金金屬材料表面產(chǎn)生活化腐蝕。氰酸根（CNO-）同樣具有較強(qiáng)的還原性，能夠破壞金屬表面的氧化膜，使原本“鈍化”的金屬變?yōu)榛顫娊饘?，進(jìn)而被腐蝕。

尿素甲銨中含有的多種化合物屬于強(qiáng)電解質(zhì)，在高溫高壓下會(huì)生成可自由移動(dòng)的陰/陽離子，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性。尿素甲銨與金屬接觸形成許多個(gè)微小的原電池，溶液表面的H+和氧氣從陽極得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，弱化陽極極化，促使電化學(xué)腐蝕繼續(xù)進(jìn)行。

3 結(jié)論

1）旋風(fēng)分離器受熱面管泄漏的原因?yàn)槟蛩卦诟邷叵碌姆纸猱a(chǎn)物與旋風(fēng)分離器受熱面管金屬發(fā)生腐蝕減薄，最終無法承受內(nèi)部介質(zhì)的壓力而在銷釘根部發(fā)生泄漏。

2）為防止腐蝕介質(zhì)與受熱面管的直接接觸，建議優(yōu)化噴槍參數(shù)，確保霧化效果，避免漏流現(xiàn)象出現(xiàn)。在機(jī)組停運(yùn)期間，全面檢查受熱面澆注料是否存在異常。對(duì)存在異常的部位去除澆注料后進(jìn)行檢查，確保澆注料對(duì)受熱面管道的保護(hù)。

3）試驗(yàn)管段抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)下限，可能是此處管段初始力學(xué)性能不佳，建議電廠利用檢修機(jī)會(huì)割管試驗(yàn)確認(rèn)。