循環(huán)流化床鍋爐水冷壁泄漏原因分析

徐 偉，李武榮

(中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471012)

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有脫硫效率高、氮氧化物排放低、燃料停留時間長、燃料適應(yīng)性廣以及灰渣綜合利用價值高等優(yōu)點(diǎn)，是一種最“潔凈”的煤燃燒技術(shù)，近年來，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

某公司在2009 年增上了一臺310 t/h 的CFB鍋爐，該爐由煙臺現(xiàn)代冰輪重工有限公司設(shè)計并制造，其型式為單爐膛、單汽包、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、雙高絕熱旋風(fēng)分離器，全鋼架M 型露天布置、高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，設(shè)計燃料為100%煉油廠石油焦，校核燃料為50%煉油廠石油焦+50%燃料煤。

1 運(yùn)行現(xiàn)狀

圖1 理化滲透著色

該爐水冷壁管材質(zhì)為20G，規(guī)格為φ60 mm×5 mm，管道內(nèi)通高溫水，操作溫度為320 ℃，操作壓力為10.3 MPa。管道外分迎火面和背火面，迎火面和背火面交界處有焊接件翅片。

本次水冷壁泄漏是該爐自2009 年投運(yùn)以來的首次出現(xiàn)的爐管泄漏，出現(xiàn)泄漏后，公司及時組織技術(shù)人員進(jìn)行分析并對缺陷部位進(jìn)行割管，聯(lián)系兩家檢測機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行了化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、管道解剖分析、塊狀腐蝕產(chǎn)物分析、能譜分析、金相分析等理化分析。

2 檢測分析

2.1 化學(xué)成分分析

背火面編號為1 號，迎火面編號為2 號，對1號、2 號進(jìn)行化學(xué)成分分析?；瘜W(xué)成分見表1?；瘜W(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)對20G 材質(zhì)的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 w，%

2.2 力學(xué)性能分析

背火面編號為1 號，迎火面編號為2 號，對1號、2 號進(jìn)行力學(xué)性能分析。拉伸性能結(jié)果見表2，沖擊性能結(jié)果見表3。從表2 和表3 中的測試結(jié)果可知，1 號和2 號試樣常溫拉伸符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且兩者數(shù)值接近。1 號和2 號試樣的320 ℃高溫拉伸數(shù)值接近，強(qiáng)度僅較常溫稍低。1 號和2號試樣的沖擊性能數(shù)值接近。

表2 拉伸性能分析結(jié)果

表3 常溫沖擊功 J

2.3 管道解剖分析

將管道解剖觀察內(nèi)表面情況。表面鼓包處周圍管道未見明顯形變，鼓包處內(nèi)表面為一個腐蝕坑，腐蝕坑呈鑿槽型，腐蝕坑底部減薄至約1 mm厚。在高溫水蒸氣的壓力下，1 mm 薄壁強(qiáng)度不夠而破裂泄漏。腐蝕坑處的腐蝕產(chǎn)物呈層狀，較疏松，敲擊后即成片脫落，脫落后顯示出基體底部特征，呈多個小腐蝕坑相連形貌(見圖2)。

在鼓包附近觀察到另外三處腐蝕凸起，其中紅色箭頭所指處即為送樣時已發(fā)現(xiàn)的一個凸起部分。這四個腐蝕坑中有三個大約在一條直線上，且該直線所處位置緊鄰翅片處的迎火面?zhèn)取Ｍ蛊鹛幨歉g產(chǎn)物體積膨脹而形成的。由測試可知，該管道為無縫管，翅片焊接的熱影響區(qū)寬度僅0.6 mm，因此熱影響區(qū)距離腐蝕坑較遠(yuǎn)，對內(nèi)表面的腐蝕坑無明顯影響，具體形貌見圖3。

對送檢的600 mm 長管道進(jìn)行仔細(xì)檢測，整個管道內(nèi)表面均存在一薄層磚紅色的氧化物。在迎火面的內(nèi)表面存在較多的潰瘍狀的腐蝕點(diǎn)，而在背火面則無明顯該腐蝕特征(見圖4)。

圖2 鼓包處內(nèi)外表面形貌

圖3 四處腐蝕坑形貌

2.4 塊狀腐蝕產(chǎn)物分析

對塊狀腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X 射線衍射分析，主要為磁性氧化鐵(Fe3O4)，并有少量的Fe2O3。

2）查找相關(guān)工程實踐資料，包括企業(yè)生產(chǎn)中涉及的實例、生活中涉及的實例以及科研項目中的研究實例等，將這些工程實例與上述整理的知識點(diǎn)或者知識點(diǎn)組合進(jìn)行對應(yīng)，即完成工程實例與理論知識的結(jié)合過程。如電氣專業(yè)的課程可以與電力系統(tǒng)的相關(guān)工程實踐結(jié)合。

2.5 能譜分析

磚紅色氧化物表面能譜分析見表4，腐蝕潰瘍處能譜分析見表5，兩者都富含氧，其它主要含有水質(zhì)中的P，Cu 和Ca 等元素。

表4 表面能譜分析

表5 腐蝕潰瘍處能譜分析

2.6 金相分析

管道夾雜物級別為D1.0，0.5e，金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為9.5 級，管道材質(zhì)正常。

管道迎火面外表面有一層約8 μm 的致密氧化物層，無脫碳等異常現(xiàn)象(見圖5)。管道迎火面內(nèi)表面磚紅色區(qū)域是一層約10～40 μm 的波浪狀的致密氧化物層(見圖6 和7)。腐蝕坑處拋光態(tài)形貌見圖8，腐蝕坑基體上方覆蓋一層較厚氧化層，氧化層具有層狀脫落特征，氧化層較疏松，有孔洞及裂紋存在。侵蝕后形貌見圖9，氧化層下的基體為正常組織，未發(fā)生脫碳及過熱球化等現(xiàn)象?？拷趸瘜酉碌幕w顯微硬度值為143HV0.2，管壁厚度中心處基體顯微硬度值為141HV0.2，硬度值相近。

圖5 迎火面外表面金相組織500 ×

圖6 迎火面內(nèi)表面拋光態(tài)200 ×

圖7 迎火面內(nèi)表面腐蝕態(tài)200 ×

圖8 腐蝕坑拋光態(tài)25 ×

圖9 腐蝕坑侵蝕態(tài)25 ×

潰瘍處特征與腐蝕坑處特征一致。潰瘍處拋光態(tài)形貌見圖10，基體上方覆蓋一層較厚氧化層，氧化層具有層狀脫落特征，氧化層較疏松，有孔洞及裂紋存在。侵蝕后形貌見圖11，氧化層下的基體為正常組織，未發(fā)生脫碳及過熱球化等現(xiàn)象。

圖10 潰瘍處拋光態(tài)100 ×

圖11 潰瘍處侵蝕態(tài)100 ×

2.7 水質(zhì)調(diào)查分析

鍋爐汽水設(shè)計要求指標(biāo):給水pH 值8.8～9.3，爐水pH 值9～10，爐水磷酸鹽2～10 mg/L。該鍋爐自開工以來的給水、爐水主要指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)顯示:給水pH 值合格率偏低且超上限較多;爐水pH 值和磷酸鹽合格率偏低且均有超上限情況，特別是磷酸鹽超上限較多。

2009 年—2014 年CFB 鍋爐給水、爐水主要化驗分析統(tǒng)計結(jié)果見表6。

表6 2009 年—2014 年爐水主要化驗分析統(tǒng)計

3 失效原因

(1)管道化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，常溫力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。迎火面和背火面材質(zhì)和性能無明顯差異。20G 爐管在使用后未發(fā)生材料性能劣化。

(2)管道夾雜物、金相組織、晶粒度正常，材料組織正常。

(3)內(nèi)壁未見明顯的脫碳現(xiàn)象及微觀裂紋，故可排除氫損傷。

(4)垢層中主要為Fe3O4以及靠近金屬基體處垢層有分層現(xiàn)象也是鍋爐管堿腐蝕的特征。

(5)腐蝕坑及潰瘍的特征一致，僅僅是腐蝕程度不一樣。因此管道迎火面的內(nèi)表面首先形成潰瘍狀的腐蝕點(diǎn)，在個別區(qū)域腐蝕點(diǎn)繼續(xù)腐蝕形成較大的腐蝕坑，當(dāng)腐蝕坑減薄到不能承受高溫水蒸氣的壓力時就發(fā)生延性破裂泄漏，即鼓包泄漏。該管道失效起因是腐蝕。

(6)腐蝕發(fā)生在迎火面內(nèi)表面，呈穿孔形式，腐蝕坑呈鑿槽型，腐蝕產(chǎn)物呈層狀，主要為Fe3O4。腐蝕坑及潰瘍下的基體仍保持原來基體性能，屬于延性腐蝕和爆破。水質(zhì)呈堿性且有超標(biāo)記錄，pH 值較高(最高值達(dá)到10.14)。資料顯示pH 值一般控制在9.3～9.7 時可更有效地避免堿腐蝕。這些腐蝕特征和水質(zhì)特征與NaOH 堿腐蝕的特征完全相符，而與酸腐蝕、高溫氧腐蝕等腐蝕形式不符。

4 結(jié)語

綜合上述多項檢測數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為造成本次循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管失效原因是水冷壁管內(nèi)由于局部發(fā)生NaOH 堿腐蝕而造成管線腐蝕減薄破裂。

水冷壁管泄漏區(qū)域集中發(fā)生在標(biāo)高13～15 m。爐水在水冷壁管內(nèi)經(jīng)過爐膛的加熱，逐步形成由水到汽水混合物的變化，水蒸汽的溶鹽能力非常小，大部分的鹽都溶解在爐水中。因此在由水到汽水混合物的變化過程中，爐水中的鹽被濃縮。在標(biāo)高15 m 以上管道內(nèi)主要是水蒸氣，在標(biāo)高13～15 m，爐水中的鹽被濃縮最嚴(yán)重，在該處發(fā)生NaOH 堿濃縮，形成濃度更高的堿環(huán)境。高濃度的堿介質(zhì)將腐蝕內(nèi)表面起保護(hù)作用的鈍化氧化膜，形成腐蝕潰瘍，而產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物Fe3O4不致密，介質(zhì)可以不斷接觸到裸露出的基體，腐蝕繼續(xù)，管壁不斷減薄直至破裂。

在管線泄漏的原因找到之后，公司先后采取了對檢測壁厚小于4 mm 的水冷壁缺陷部位全部進(jìn)行了更換，對水冷壁管內(nèi)部進(jìn)行了化學(xué)清洗，并對更換后的鍋爐水冷壁重新進(jìn)行了防磨噴涂，同時公司也加強(qiáng)了對鍋爐水質(zhì)的運(yùn)行管理，確保鍋爐水質(zhì)單項指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)，自2014 年5 月份底鍋爐檢修開工后運(yùn)行至今，沒有再發(fā)生水冷壁泄漏事故。