垃圾焚燒鍋爐省煤器管泄漏原因分析

黃維浩，周 薔，唐松青

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海200240）

處理生活垃圾的途徑主要有三種：填埋、堆肥和焚燒，其中采用垃圾焚燒技術(shù)可減少污染，不占用土地，同時能產(chǎn)生熱能，因此越來越被重視。與一般鍋爐相比，垃圾焚燒燃料復(fù)雜，技術(shù)要求較高，容易出現(xiàn)鍋爐管泄漏等事故。為防止類似事故發(fā)生，筆者對引起省煤器管泄漏的原因進行了分析研究，并提出改進措施。

1 試驗材料與方法

某廠一臺日處理400t生活垃圾的焚燒鍋爐運行3年多后，省煤器管發(fā)生泄漏事故。該鍋爐工作壓力為1.2MPa，蒸發(fā)量為4t／h，省煤器管材料為1Cr18Ni9Ti鋼，直徑為32mm，壁厚為3mm。

試樣取自省煤器第6屏第3根管子，長度約1.2m，是整個省煤器中泄漏最嚴重的管段。對取樣管的幾何尺寸、管子內(nèi)外表面氧化物以及裂紋形貌等進行了檢測與宏觀分析，取樣管的化學成分、力學性能、金相組織、掃描電鏡和能譜分析的試樣均取自取樣管向煙氣一側(cè)。

化學成分是依照GB／T 11170—2008《不銹鋼的光發(fā)射光譜分析方法》在ARL 3460光譜分析儀上進行試驗；室溫力學性能是根據(jù)GB／T 228—2002《室溫拉伸試驗方法》在 WE-60液壓式萬能材料試驗機上進行試驗；金相組織是在DMI 3000MLeica金相顯微鏡上進行試驗；電鏡和能譜分析是在型號為VECA LMU2的掃描電鏡和能譜分析儀上進行試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 宏觀檢驗

取樣管外壁向煙氣的一面存在積灰和銹斑，但氧化皮不明顯，沒有剝落現(xiàn)象（見圖1），在白色結(jié)垢處可見明顯的縱向條狀裂紋（見圖2），部分呈現(xiàn)多條裂紋。在背向煙氣的一面，管外壁比較光滑，接近原始狀態(tài)。

管內(nèi)壁存在極薄的鐵紅色氧化層，經(jīng)砂紙輕輕打磨，即可呈現(xiàn)白亮色的金屬基體，未見腐蝕銹斑和水垢，基本上沒有明顯的氧化和腐蝕現(xiàn)象，說明在此工況條件下1Cr18Ni9Ti鋼管有足夠的抗氧化能力。

圖1 省煤器管面向煙氣的外壁

圖2 省煤器管外壁裂紋

在管子泄漏處及附近壁厚都沒有減薄現(xiàn)象，整段管子壁厚也沒有明顯變化。

2.2 化學成分分析

取樣管的化學成分分析結(jié)果見表1。

表1 取樣管化學成分

由表1可見：該取樣管化學成分實測值與GB 13296—2007中規(guī)定的1Cr18Ni9Ti鋼的標準值相比，w（P）較高，w（Cr）和w（Ni）偏低。

2.3 力學性能試驗

取樣管的力學性能試驗結(jié)果見表2。

表2 取樣管的力學性能

由表2可見：取樣管的室溫力學性能符合GB 13296—2007標準規(guī)定的1Cr18Ni9Ti鋼的室溫力學性能要求。

2.4 金相檢驗

在取樣管縱向及橫向取樣，制備成金相試樣，在光學顯微鏡上對管子的非金屬夾雜物、腐蝕前后的裂紋形貌、金相組織等分別進行試驗和觀察。金相試樣的腐蝕試劑為王水。

2.4.1 非金屬夾雜物

取樣管中非金屬夾雜物的評定是按照GB／T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》標準進行評定。管子縱向檢查表明：A、B、C三類非金屬夾雜物均小于1級，但D類夾雜物達3級；可歸于D類的氮化物（金相顯微鏡中A處塊狀物）和氧化物成條、成堆分布（見圖3），特別在橫向試樣上也發(fā)現(xiàn)存在大量的氮化物等夾雜物。

圖3 管子材料非金屬夾雜物

2.4.2 顯微組織

橫截面試樣經(jīng)王水侵蝕后顯微組織見圖4。1Cr18Ni9Ti鋼正常組織是奧氏體加少量第二相，實際組織為奧素體加大量的第二相，晶內(nèi)存在孿晶和滑移線。從圖4可看到類似劃痕的線條狀組織，這種組織實際上是呈斷斷續(xù)續(xù)的點狀或短條狀第二相，并且大多都止于晶界。

圖4 王水侵蝕后組織

2.4.3 試樣腐蝕前裂紋形貌

橫截面試樣經(jīng)打磨和拋光后直接觀察，可以發(fā)現(xiàn)多條裂紋，其形貌和分布情況見圖5。

圖5 腐蝕前的裂紋形貌

2.4.4 試樣經(jīng)腐蝕后的裂紋

試樣經(jīng)腐蝕后，內(nèi)部裂紋形貌見圖6。

圖6 腐蝕后的裂紋形貌

從圖6可看出：裂紋從管子外壁向內(nèi)深入，呈現(xiàn)分叉狀，有些幾乎裂穿，有些裂紋切向發(fā)展；裂紋大多為穿晶斷裂，部分呈沿晶斷裂。

2.5 掃描電鏡及能譜分析

2.5.1 掃描電鏡（SEM）圖像

用型號為VECA LMU2的掃描電鏡分別對管子橫斷面上的裂紋以及裂紋斷口進行了觀察和分析，結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 管子橫斷面上的裂紋分布形貌

圖8 裂紋斷口掃描電鏡形貌

2.5.2 裂紋表面腐蝕產(chǎn)物射線能譜 （EDS）分析

裂紋打開后，分別對超聲波清洗前后的斷口表面的腐蝕產(chǎn)物進行了能譜分析，結(jié)果表明：斷口腐蝕產(chǎn)物中的主要元素是Fe、O、Cr、C等，同時存在S、K和Na等元素。清洗后的表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果見圖9和表3。

圖9 斷口清洗后的腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

表3 斷口清洗后腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

2.5.3 鋼管外壁白色結(jié)垢能譜分析

對鋼管外壁白色結(jié)垢進行了能譜分析，結(jié)果見表4。

表4 鋼管外壁白色結(jié)垢表面能譜分析結(jié)果

分析表明：外壁白色結(jié)垢主要元素為O、Ca、C、Si和Al等，也存在S和Na等元素。

2.5.4 裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物能譜分析

橫截面金相試樣經(jīng)王水腐蝕后對裂紋內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物進行了能譜分析，結(jié)果見表5。

表5 裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

從表5可知：裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物主要元素為O、Fe、Cr等，也發(fā)現(xiàn)存在元素S。

3 分析討論

省煤器主要作用是吸收煙氣余熱加熱鍋爐給水，降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率。垃圾焚燒鍋爐的省煤器的特點是高溫段承受的煙氣溫度較高。

省煤器泄漏和爆管的原因主要有飛灰磨損［1］、管束振動［2］、由于燃燒不當使管內(nèi)沸騰度過高產(chǎn)生汽水沖刷［3］、氧化腐蝕［4］和材料及焊接問題等。根據(jù)取樣管的宏觀分析結(jié)果，管子表面沒有明顯的磨損和減薄，裂紋呈縱向分布，可以基本上排除由飛灰磨損和管束振動引起爆管的原因，據(jù)此認為省煤器鋼管爆管的原因可能與腐蝕和原材料有關(guān)。

省煤器的腐蝕包括管內(nèi)腐蝕和管外腐蝕：管內(nèi)腐蝕主要是由氧引起的，可稱吸氧腐蝕；管外腐蝕屬于硫酸腐蝕，也叫低溫腐蝕。一般鍋爐省煤器的管外腐蝕通常只發(fā)生在低溫段，而作為垃圾焚燒鍋爐的省煤器在燃燒不穩(wěn)定時，高溫段部位還有可能承受與硫酸鹽有關(guān)的熔鹽腐蝕。

取樣管橫截面上存在多條裂紋，裂紋都從鋼管外壁發(fā)生，向內(nèi)擴展。許多裂紋呈現(xiàn)分叉，并出現(xiàn)切向發(fā)展。在裂紋中存在大量腐蝕產(chǎn)物。

由于在燃料中含有一定的S，在燃燒時S與空氣里的O2作用，使煙氣中含有一定量的SO2和SO3，也含有水蒸氣，在較低的煙氣溫度下就會生成亞硫酸和硫酸蒸汽。如果鍋爐省煤器管壁溫度低于煙氣的露點溫度時，亞硫酸和硫酸蒸汽就會凝結(jié)在管壁上，形成亞硫酸和硫酸溶液，極易發(fā)生硫腐蝕。煙氣中SO2對露點的影響不大，而SO3對露點的影響很大：其含量越高，則露點溫度越高；無SO3的煙氣，露點約為50℃；若煙氣中含有少量SO3，就會使露點溫度明顯升高，可達120～160℃。管壁溫度越低或煙氣的露點溫度越高，則越易發(fā)生硫的低溫腐蝕。

掃描電鏡下能觀察到各種形態(tài)的腐蝕產(chǎn)物。能譜分析表明：在腐蝕產(chǎn)物中存在一些S、K和Na等元素，K和Na與煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸鉀和硫酸鈉，其熔點溫度在877℃左右，在Fe2O3等化合物的作用下，生成復(fù)合硫酸鹽（K3Fe（SO4）3和 Na3Fe（SO4）3的混合物）；當K與Na的摩爾比值在1～4時，復(fù)合硫酸鹽的熔點會降低至552℃。該垃圾焚燒鍋爐燃燒區(qū)的溫度最高可以達到850℃以上，因此燃燒過程中產(chǎn)生的復(fù)合硫酸鹽會吸附在省煤器管子的表面，從而產(chǎn)生高溫熔鹽腐蝕；同時，一般在金屬外壁發(fā)生的復(fù)合硫酸鹽腐蝕的面積較大，而該鍋爐中大部分省煤器管子向煙氣側(cè)均有開裂和泄漏現(xiàn)象，所以高溫熔鹽腐蝕也是造成該省煤器管泄漏的原因之一。

4 結(jié)語

根據(jù)取樣管的系列試驗結(jié)果可以看出：該省煤器管的材料為1Cr18Ni9Ti，但材料中P含量超標，而Cr和Ni的含量均低于標準值；取樣管的室溫力學性能符合相關(guān)標準的要求；取樣管材料中夾雜物含量高，D類夾雜物為3級，不合格；取樣管材料的顯微組織不正常，沒有按規(guī)范進行固溶處理。根據(jù)裂紋形態(tài)、擴展方向以及腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果來看，引起該省煤器管的開裂和泄漏的原因主要是因為低溫硫腐蝕和高溫熔鹽腐蝕共同作用的結(jié)果。

為減輕或防止該省煤器的腐蝕開裂，建議采取如下措施：

（1）使用0Cr18Ni12Mo2（316L）高壓管替代1Cr18Ni9Ti鋼管，以提高抗硫腐蝕性能，并按規(guī)范進行固溶處理，必要時加穩(wěn)定化處理。

（2）在燃燒時添加如石灰石、白云石等，以吸收或中和煙氣中的SO3，或用其他方法脫硫，從而減少煙氣中的SO3含量，降低結(jié)露溫度，減少酸腐蝕。

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