燃气-蒸汽联合循环机组余热锅炉中压蒸发器鳍片管泄漏原因

2020-12-01吴跃

机械工程材料 2020年11期

吴跃

(1.中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院，合肥 230088；2.大唐锅炉压力容器检验中心有限公司，合肥 230088)

0 引言

燃气-蒸汽联合循环机组余热锅炉属于热量回收设备，可降低能源消耗，提高机组热效率和经济效益，对于节能减排起着至关重要的作用[1-2]。中压蒸发器为余热锅炉本体受热面，采用模块结构，一般由垂直布置的顺列螺旋鳍片管和进出口集箱组成。鳍片管与进出口集箱连接处的角焊缝因承受结构应力、焊接残余应力以及机组频繁启停产生的交变应力而易发生开裂，导致泄漏。

某燃气-蒸汽联合循环机组1号余热锅炉于2019年1月24日停炉备用。2月12日对锅炉上水进行启机前准备工作，发现炉底膨胀节及炉底保温疏水漏水量大，初步判断炉膛内部发生泄漏。2月13日进炉膛检查发现，IV区中压蒸发器B模块鳍片管存在两处漏点：鳍片管垂直排布，第一处泄漏管为沿烟气流向往里数第5排，从左往右数第2根，漏点(下文称为上部漏点)距离上部小集箱650 mm；第二处泄漏管为沿烟气流向往里数第4排，从右往左数第8根，漏点(下文称为下部漏点)距离下部小集箱670 mm。鳍片管均为ASME SA210 A1无缝钢管，规格为φ38 mm×2.7 mm，螺旋鳍片材料为碳钢。将邻近上部漏点的17根管以及邻近下部漏点的13根管割除，对内壁进行宏观检查，未发现异常。锅炉泄漏位置及返修割除管段示意见图1。为了查明该锅炉中压蒸发器鳍片管泄漏原因，作者对第一处泄漏管(上部漏点)进行了理化检验和分析，并提出了相关预防措施。

图1 中压蒸发器泄漏位置及返修割除管段示意Fig.1 Schematic of middle pressure evaporator leakage locations and cutting tubes for repair

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

由图2可知，失效管漏点附近内壁表面粗糙不平，存在鼓疱状腐蚀产物，腐蚀产物外层呈砖红色，用刀片将其刮破，可从内壁剥离下大量黑色粉末状腐蚀产物和少量红棕色块状产物，清除腐蚀产物后内壁出现溃疡状陷坑，可见该鼓疱状腐蚀产物分为两层，包括外层砖红色腐蚀产物和内部的黑色粉末及少量红棕色块状产物，说明鳍片管发生了典型的氧腐蚀[3-4]。另将距漏点250 mm处切开，可见管内壁仅存在一层薄而均匀的砖红色腐蚀产物。

图2 失效鳍片管的宏观形貌Fig.2 Macromorphology of failed fin tube: (a) cross section of leakage point; (b) inner wall of tube near leakage point; (c) corrosion products stripped at position A; (d) inner wall after removal of corrosion products and (e) inner wall of the tube 250 mm away from the leakage point

1.2 显微组织

在失效鳍片管泄漏位置及其附近内壁腐蚀产物处分别切取金相试样，经打磨、抛光后，采用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀，通过Carl Zeiss Axio Observer A1m型光学显微镜观察显微组织。由图3和图4可知：漏点及附近内壁处存在腐蚀层，管的有效壁厚为0.95～1.40 mm，远低于2.7 mm的设计壁厚；鳍片与管外壁焊接时存在未熔合缺陷；漏点处母材组织为铁素体+珠光体，未见老化；漏点及内壁腐蚀产物下的组织均为铁素体+珠光体，无脱碳现象和晶间微裂纹。

图3 鳍片管漏点位置的显微组织Fig.3 Microstructures of the leakage point of the fin tube: (a) whole; (b) outer wall; (c) inner wall and (d) base material

图4 鳍片管漏点附近内壁腐蚀产物及其下显微组织Fig.4 Corrosion products on inner wall near the leakage point of the fin tube and underlyzing microstructure: (a) at low magnification and (b) at high magnification

1.3 腐蚀产物的化学成分

利用蔡司sigma300型热场扫描电镜(SEM)附带的能谱仪(EDS)对图2(c)中剥离的腐蚀产物进行能谱分析。由图5可知，该腐蚀产物以铁和氧元素为主，为铁的氧化物，此外还含有少量碳和磷，无氯等腐蚀性元素。

图5 鳍片管内壁腐蚀产物的SEM形貌及EDS谱Fig.5 SEM morphology (a) and EDS spectrum (b) of corrosion products on inner wall of the fin tube

1.4 腐蚀产物物相组成

利用布鲁克D8 ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)对上述腐蚀产物进行物相分析。由图6可知，该腐蚀产物为Fe2O3和Fe3O4的混合物。可以推断鼓疱下的红棕色产物为Fe2O3，黑色产物为Fe3O4[5-6]，进一步说明该中压蒸发器鳍片管内壁泄漏是由氧腐蚀所导致。

图6 鳍片管内壁腐蚀产物的XRD谱Fig.6 XRD spectrum of corrosion products on inner wall of the fin tube

1.5 溶垢性能

截取锅炉泄漏管段及相邻未泄漏管段进行实验室溶垢试验。采用95.5%(质量分数，下同)除盐水+0.5%缓蚀剂+4%盐酸配制的清洗液对泄漏管段进行第一次清洗，将清洗液和泄漏管段水浴加热至60 ℃，清洗30 min(即恒温放置30 min)，该处理方式与基建期化学清洗工艺条件相同。由图7(a)及图7(d)可以看出，第一次清洗后，管样内壁的鼓疱状腐蚀产物未溶解，清洗效果不明显，而侧面鳍片表面薄而均匀的腐蚀产物消失，露出金属本色。将酸洗液中盐酸的质量分数提高至6%，清洗时间延长至40 min，进行第二次清洗，由图7(b)可知管样内壁腐蚀产物亦无明显变化。不添加缓蚀剂，采用6%盐酸溶液对泄漏管段进行第三次清洗，清洗时间为40 min，内壁腐蚀产物仍无明显变化。采用与泄漏管段第一次清洗时的相同条件对未泄漏管段进行清洗，约5 min后，其内壁处薄而均匀的腐蚀产物即清洗干净。由此说明，蒸发器运行期间，鳍片管内壁正常形成的薄而均匀的腐蚀产物易溶解去除，而漏点附近的鼓疱状腐蚀产物很难用盐酸溶液溶解去除。

图7 鳍片管泄漏管段及相邻未泄漏管段溶垢试验结果Fig.7 Scale dissolving test results of the fin tube leaking section and adjacent unleaked tube section: (a) leaking tube section, the first cleaning; (b) leaking tube section, the second cleaning; (c) leaking tube section, the third cleaning, (d) side of leaking tube section, first cleaning and (e) unleaked tube section

2 失效原因分析

鳍片管漏点位置及腐蚀产物层下组织未见异常，仅漏点附近内壁存在非正常鼓疱状腐蚀产物，而距漏点250 mm处管内壁光滑平整，仅有运行期间形成的一层薄而均匀的腐蚀产物，且腐蚀产物与金属基体紧密结合，无分层现象，呈现出正常的受热面管内壁沉积状态[7]。此外，割除的30根鳍片管内壁亦光滑平整。说明中压蒸发器仅个别管内壁局部区域存在鼓疱状腐蚀产物，这些区域在机组运行期间极易进一步遭受氧腐蚀发生减薄而导致泄漏。

该中压蒸发器运行时烟气侧温度为230～250 ℃，水侧温度约为220 ℃。余热锅炉同一受热面接触烟气的温度相对一致，不同高度区域热负荷基本相同，因此水蒸气中的铁元素在蒸发器中与氧元素受热发生反应形成的沉积物应为均匀状态，即腐蚀产物均匀平滑，而不会在局部区域形成分层的鼓疱状腐蚀产物。

发生泄漏的1号机组于2018年11月28日整套启动，第一次点火；12月11日至18日进行168 h满负荷试运，整套启动仅耗时20 d。在此期间，系统的冷态冲洗提前开始，启动过程中同时加强热态冲洗和锅炉排污工作，系统铁含量较低，其中168 h满负荷试运期间，给水中的铁含量仅为7～11 μg·L-1，远低于DL/T 1717—2017标准要求(不高于30 μg·L-1)。另外，该锅炉从投产到中压蒸发器发生泄漏仅40余d，其中运行24 d，停备19 d。在水汽系统铁含量较低、运行时间极短以及余热锅炉受热面热负荷均匀的条件下，理论上该鳍片管局部区域不会形成分层的鼓疱状腐蚀产物。溶垢试验显示蒸发器正常运行形成的腐蚀产物薄而均匀，极易被盐酸溶解去除，而漏点附近的鼓疱状腐蚀产物不能通过锅炉基建期间的化学清洗工艺(采用盐酸溶液)去除，由此充分说明泄漏管局部区域存在的非正常鼓疱状腐蚀产物是在原始制造条件下遗留的，推测是由内壁局部区域积水导致管壁发生严重氧腐蚀所致,试运行时，该区域进一步遭受腐蚀发生减薄而最终导致泄漏。