垃圾焚烧锅炉省煤器管泄漏原因分析

黄维浩，周 蔷，唐松青

（上海发电设备成套设计研究院，上海200240）

处理生活垃圾的途径主要有三种：填埋、堆肥和焚烧，其中采用垃圾焚烧技术可减少污染，不占用土地，同时能产生热能，因此越来越被重视。与一般锅炉相比，垃圾焚烧燃料复杂，技术要求较高，容易出现锅炉管泄漏等事故。为防止类似事故发生，笔者对引起省煤器管泄漏的原因进行了分析研究，并提出改进措施。

1 试验材料与方法

某厂一台日处理400t生活垃圾的焚烧锅炉运行3年多后，省煤器管发生泄漏事故。该锅炉工作压力为1.2MPa，蒸发量为4t／h，省煤器管材料为1Cr18Ni9Ti钢，直径为32mm，壁厚为3mm。

试样取自省煤器第6屏第3根管子，长度约1.2m，是整个省煤器中泄漏最严重的管段。对取样管的几何尺寸、管子内外表面氧化物以及裂纹形貌等进行了检测与宏观分析，取样管的化学成分、力学性能、金相组织、扫描电镜和能谱分析的试样均取自取样管向烟气一侧。

化学成分是依照GB／T 11170—2008《不锈钢的光发射光谱分析方法》在ARL 3460光谱分析仪上进行试验；室温力学性能是根据GB／T 228—2002《室温拉伸试验方法》在 WE-60液压式万能材料试验机上进行试验；金相组织是在DMI 3000MLeica金相显微镜上进行试验；电镜和能谱分析是在型号为VECA LMU2的扫描电镜和能谱分析仪上进行试验。

2 试验结果

2.1 宏观检验

取样管外壁向烟气的一面存在积灰和锈斑，但氧化皮不明显，没有剥落现象（见图1），在白色结垢处可见明显的纵向条状裂纹（见图2），部分呈现多条裂纹。在背向烟气的一面，管外壁比较光滑，接近原始状态。

管内壁存在极薄的铁红色氧化层，经砂纸轻轻打磨，即可呈现白亮色的金属基体，未见腐蚀锈斑和水垢，基本上没有明显的氧化和腐蚀现象，说明在此工况条件下1Cr18Ni9Ti钢管有足够的抗氧化能力。

图1 省煤器管面向烟气的外壁

图2 省煤器管外壁裂纹

在管子泄漏处及附近壁厚都没有减薄现象，整段管子壁厚也没有明显变化。

2.2 化学成分分析

取样管的化学成分分析结果见表1。

表1 取样管化学成分

由表1可见：该取样管化学成分实测值与GB 13296—2007中规定的1Cr18Ni9Ti钢的标准值相比，w（P）较高，w（Cr）和w（Ni）偏低。

2.3 力学性能试验

取样管的力学性能试验结果见表2。

表2 取样管的力学性能

由表2可见：取样管的室温力学性能符合GB 13296—2007标准规定的1Cr18Ni9Ti钢的室温力学性能要求。

2.4 金相检验

在取样管纵向及横向取样，制备成金相试样，在光学显微镜上对管子的非金属夹杂物、腐蚀前后的裂纹形貌、金相组织等分别进行试验和观察。金相试样的腐蚀试剂为王水。

2.4.1 非金属夹杂物

取样管中非金属夹杂物的评定是按照GB／T 10561—2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》标准进行评定。管子纵向检查表明：A、B、C三类非金属夹杂物均小于1级，但D类夹杂物达3级；可归于D类的氮化物（金相显微镜中A处块状物）和氧化物成条、成堆分布（见图3），特别在横向试样上也发现存在大量的氮化物等夹杂物。

图3 管子材料非金属夹杂物

2.4.2 显微组织

横截面试样经王水侵蚀后显微组织见图4。1Cr18Ni9Ti钢正常组织是奥氏体加少量第二相，实际组织为奥素体加大量的第二相，晶内存在孪晶和滑移线。从图4可看到类似划痕的线条状组织，这种组织实际上是呈断断续续的点状或短条状第二相，并且大多都止于晶界。

图4 王水侵蚀后组织

2.4.3 试样腐蚀前裂纹形貌

横截面试样经打磨和抛光后直接观察，可以发现多条裂纹，其形貌和分布情况见图5。

图5 腐蚀前的裂纹形貌

2.4.4 试样经腐蚀后的裂纹

试样经腐蚀后，内部裂纹形貌见图6。

图6 腐蚀后的裂纹形貌

从图6可看出：裂纹从管子外壁向内深入，呈现分叉状，有些几乎裂穿，有些裂纹切向发展；裂纹大多为穿晶断裂，部分呈沿晶断裂。

2.5 扫描电镜及能谱分析

2.5.1 扫描电镜（SEM）图像

用型号为VECA LMU2的扫描电镜分别对管子横断面上的裂纹以及裂纹断口进行了观察和分析，结果见图7和图8。

图7 管子横断面上的裂纹分布形貌

图8 裂纹断口扫描电镜形貌

2.5.2 裂纹表面腐蚀产物射线能谱 （EDS）分析

裂纹打开后，分别对超声波清洗前后的断口表面的腐蚀产物进行了能谱分析，结果表明：断口腐蚀产物中的主要元素是Fe、O、Cr、C等，同时存在S、K和Na等元素。清洗后的表面腐蚀产物能谱分析结果见图9和表3。

图9 断口清洗后的腐蚀产物能谱分析结果

表3 断口清洗后腐蚀产物能谱分析结果

2.5.3 钢管外壁白色结垢能谱分析

对钢管外壁白色结垢进行了能谱分析，结果见表4。

表4 钢管外壁白色结垢表面能谱分析结果

分析表明：外壁白色结垢主要元素为O、Ca、C、Si和Al等，也存在S和Na等元素。

2.5.4 裂纹内腐蚀产物能谱分析

横截面金相试样经王水腐蚀后对裂纹内的腐蚀产物进行了能谱分析，结果见表5。

表5 裂纹内腐蚀产物能谱分析结果

从表5可知：裂纹内腐蚀产物主要元素为O、Fe、Cr等，也发现存在元素S。

3 分析讨论

省煤器主要作用是吸收烟气余热加热锅炉给水，降低排烟温度，提高锅炉热效率。垃圾焚烧锅炉的省煤器的特点是高温段承受的烟气温度较高。

省煤器泄漏和爆管的原因主要有飞灰磨损［1］、管束振动［2］、由于燃烧不当使管内沸腾度过高产生汽水冲刷［3］、氧化腐蚀［4］和材料及焊接问题等。根据取样管的宏观分析结果，管子表面没有明显的磨损和减薄，裂纹呈纵向分布，可以基本上排除由飞灰磨损和管束振动引起爆管的原因，据此认为省煤器钢管爆管的原因可能与腐蚀和原材料有关。

省煤器的腐蚀包括管内腐蚀和管外腐蚀：管内腐蚀主要是由氧引起的，可称吸氧腐蚀；管外腐蚀属于硫酸腐蚀，也叫低温腐蚀。一般锅炉省煤器的管外腐蚀通常只发生在低温段，而作为垃圾焚烧锅炉的省煤器在燃烧不稳定时，高温段部位还有可能承受与硫酸盐有关的熔盐腐蚀。

取样管横截面上存在多条裂纹，裂纹都从钢管外壁发生，向内扩展。许多裂纹呈现分叉，并出现切向发展。在裂纹中存在大量腐蚀产物。

由于在燃料中含有一定的S，在燃烧时S与空气里的O2作用，使烟气中含有一定量的SO2和SO3，也含有水蒸气，在较低的烟气温度下就会生成亚硫酸和硫酸蒸汽。如果锅炉省煤器管壁温度低于烟气的露点温度时，亚硫酸和硫酸蒸汽就会凝结在管壁上，形成亚硫酸和硫酸溶液，极易发生硫腐蚀。烟气中SO2对露点的影响不大，而SO3对露点的影响很大：其含量越高，则露点温度越高；无SO3的烟气，露点约为50℃；若烟气中含有少量SO3，就会使露点温度明显升高，可达120～160℃。管壁温度越低或烟气的露点温度越高，则越易发生硫的低温腐蚀。

扫描电镜下能观察到各种形态的腐蚀产物。能谱分析表明：在腐蚀产物中存在一些S、K和Na等元素，K和Na与烟气中的SO3反应生成硫酸钾和硫酸钠，其熔点温度在877℃左右，在Fe2O3等化合物的作用下，生成复合硫酸盐（K3Fe（SO4）3和 Na3Fe（SO4）3的混合物）；当K与Na的摩尔比值在1～4时，复合硫酸盐的熔点会降低至552℃。该垃圾焚烧锅炉燃烧区的温度最高可以达到850℃以上，因此燃烧过程中产生的复合硫酸盐会吸附在省煤器管子的表面，从而产生高温熔盐腐蚀；同时，一般在金属外壁发生的复合硫酸盐腐蚀的面积较大，而该锅炉中大部分省煤器管子向烟气侧均有开裂和泄漏现象，所以高温熔盐腐蚀也是造成该省煤器管泄漏的原因之一。

4 结语

根据取样管的系列试验结果可以看出：该省煤器管的材料为1Cr18Ni9Ti，但材料中P含量超标，而Cr和Ni的含量均低于标准值；取样管的室温力学性能符合相关标准的要求；取样管材料中夹杂物含量高，D类夹杂物为3级，不合格；取样管材料的显微组织不正常，没有按规范进行固溶处理。根据裂纹形态、扩展方向以及腐蚀产物分析结果来看，引起该省煤器管的开裂和泄漏的原因主要是因为低温硫腐蚀和高温熔盐腐蚀共同作用的结果。

为减轻或防止该省煤器的腐蚀开裂，建议采取如下措施：

（1）使用0Cr18Ni12Mo2（316L）高压管替代1Cr18Ni9Ti钢管，以提高抗硫腐蚀性能，并按规范进行固溶处理，必要时加稳定化处理。

（2）在燃烧时添加如石灰石、白云石等，以吸收或中和烟气中的SO3，或用其他方法脱硫，从而减少烟气中的SO3含量，降低结露温度，减少酸腐蚀。

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