余热锅炉低压蒸发器爆管金属材料分析

朱恩泽

摘要：江苏华电仪征热电有限公司燃气-蒸汽联合循环机组余热锅炉低压蒸发器模块多次发生泄漏，严重威胁机组安全运行。本文通过研究低压蒸发器管道金属选材问题，分析其腐蚀机理，解决金属腐蚀问题，并提出有效防护措施，提高机组运行可靠性。

关键词：余热锅炉、低压蒸发器爆管、材质、腐蚀

江苏华电仪征热电有限公司联共有三台西门子SGT5-2000E燃機，余热锅炉为东方菱日双压、无补燃、卧式、自然循环锅炉。锅炉由高、低压两个压力等级系统组成，高压过热蒸汽额定出口压力7.95MPa，额定出口温度523.4℃;低压过热蒸汽额定出口压力O.63MPa、额定出口温度225.7℃。低压蒸发器工作参数为：工作压力0.67MPa，工作温度167℃。低压蒸发器上联箱管座、集箱、出口连通管及管座所用材料为20G碳钢。至今机组运行2000天，余热锅炉多次发生低压蒸发器管子内壁侵蚀减薄直至爆管的问题，严重影响机组的安全运行。

一、设备情况介绍

仪征热电余热锅炉低压蒸发器前后方向共有5组管屏，每组左右各有一个联箱，前后方向共有14排管，每排80根管路，左右管屏各40根。低压蒸发器集箱管接头材质为20G碳钢管材，规格为Φ38×4.5;受热面管子材质为20G碳钢管材，规格为Φ38×2.8。低压蒸发器正常工况为0.67Mpa、167℃。

2018年3月21日，仪征热电余热锅炉发生泄漏，经停炉后检查，确认是低压蒸发器管路爆管造成泄漏。事故发生后，相关人员对低压蒸发器泄漏情况进行了详细会诊。

余热锅炉低压蒸发器管子的口径为4.5mm，在低压蒸发器模块，一般壁厚磨损超过30%即为泄漏危险点，也就是说管束壁厚不能低于3.15mm，其中1-2即为此次事故泄漏点，第一排管路泄漏危险点较多，泄漏管子也集中在第一排。

二、低压蒸发器泄漏的金属选材方面的原因分析

仪征热电余热锅炉低压蒸发器管路所选钢材为20G碳钢，20G钢管是GB/5310国标钢号（国外对应牌号：德国st45.8、日本STB42、美国SA106B），为最常用锅炉钢管用钢。该钢有一定常温和中高温强度，含碳量较低，有较佳塑性和韧性，其冷热成型和焊接性能良好。但对于仪征热电低压蒸发器的实际情况而言，由于热应力、炉水PH值不稳定、低压蒸发器过热、流动加速腐蚀（FAC）等原因，其低压蒸发器20G碳钢管路经常出现泄漏事故，具体分析如下。

2.1管路金属疲劳原因分析

仪征热电厂机组为调峰机组，因此启停机频繁，运行状态下在省调要求下也要调节机组功率，故机组的工况在运行时变化频繁，这种情况对余热锅炉会产生影响。由于频繁启停机，余热锅炉工质、受热面和金属管材温度变化较大，这就为产生热应力提供了条件。热应力是指由于金属受热不均，而金属原件由于受到外部约束，如焊接，套装，隔板隔挡等，从而导致各个部位膨胀不均匀而产生的应力。当温度变化时，如果金属内各点的温度变化是均匀的，并且其变形不受约束，既可以自由膨胀或收缩，则金属只存在热变形，而不产生热应力。如果物体膨胀受到约束，则物体内将产生压应力;如金属冷却收缩受到约束，则物体内将产生拉应力。当金属加热或冷却不均匀，温度分布不均匀时，金属即使不受到外部约束，其内部也会产生热应力，高温区产生压应力，低温区产生拉应力。仪征热电余热锅炉低压蒸发器除机组起停频繁的影响外，还存在过热运行现象，更加剧了热应力的影响，这种热应力会对金属产生疲劳效应，金属会发生蠕变，加速管路的损坏。

2.2低压蒸发器的过热问题

仪征热电余热锅炉受热面管组为密排鳍片管，其管组与烟道墙之间间隙较大，导致两侧墙存在旁通烟气走廊;管组与管组之间未设置烟气挡板，也会形成烟气走廊;此外还发现烟道上下由于烟气挡板安装不当，所以我们认为此处密封方式存在设计问题，这样不可避免存在较多缝隙，烟气容易绕流加大旁通烟气量。

烟气走廊的存在会导致集箱两端的管路吸热量显著增加，造成这部分管路内介质温度明显升高，管束处于偏离设计参数运行，当临近出口的介质温度超过介质运行压力下的饱和温度时，就会发生汽化，体积快速膨胀，介质流速显著增加，介质流速与壁厚减薄率成正比。产生汽化更会形成汽蚀，当汽水快速通过弯头时，对弯头背弧侧形成严重冲刷，造成腐蚀。

在此工况下就要求管路钢材具有较高的持久强度，较高的抗氧化腐蚀性能，并有良好的组织稳定性。管材抗腐蚀性和强度不够也是造成低压蒸发器管路泄漏的原因。

2.3炉水PH值与流动加速腐蚀（FAC）对管路的影响

FAC是一个化学反应过程，是氧化膜与水界面产生可溶解的亚铁离子不断随介质扩散的过程，其过程可分为三个同时发生的化学反应（图4）。

仪征热电余热锅炉低压蒸发器设计工况为压力0.67MPa，温度167℃。此工况是流动加速腐蚀的频发区段。流动加速腐蚀（FAC）多见于流动介质体系中的紊流区域，如管道弯头、三通以及异径管连接处发生的加速性腐蚀。167℃相对应的壁面减薄率已接近2mm*a-1，严重危及管路运行安全。

在锅炉运行中，炉水PH值是一个非常重要的因素，pH值低时，水对锅炉钢材的腐蚀性增强，并且炉水中的磷酸根与钙离子的反应，只有在pH值足够高的条件下才能生成容易排污的水渣;为了抑制炉水中硅酸盐的水解，减少硅酸在蒸汽中的溶解携带量，pH值也应控制得高一些。但是炉水的pH值也不能太高，否则，游离氢氧根离子较多，容易引起碱性腐蚀。同时PH值对流动加速腐蚀也有很大影响，在炉水pH值大于9.4时腐蚀曲线较为平缓，低于9.4时腐蚀速率陡然增加，所以适当提高炉水pH值是减缓腐蚀、防止爆管的有效方法。

四、改进措施

1、余热锅炉低压蒸发器模块上联箱管座、集箱、出口连通管及管座管材更换为12CrMoV合金钢，增强管路尤其是弯头部分的抗冲刷腐蚀性，以改善管材金属腐蚀情况。

2、更换新的烟气挡板，并对其进行改造，加长烟气阻隔板减小缝隙，消除烟气走廊现象，使低压蒸发器不再过热运行。

3、强化运行管理。燃机锅炉在运行时，应严格遵循《运行规程》要求，锅炉运行时必须均匀不断地送水，保持锅炉水位在规定的水位;运行中应注意控制低压系统流量，注意将锅炉压力维持于正常汽压，正常情况下，锅炉压力高低偏差不大于±0.05MPa。

五、结论

相对于20G钢，12CrMoV合金钢是一种珠光体型耐热钢，在高温长期使用时具有高的组织稳定性和热强性，热处理时过热敏感性低，无回火脆性倾向;钢在冷变形时塑性高。综上所述，对于低压蒸发器模块而言，其上联箱管座、集箱、出口连通管及管座管材应由20G碳钢更换为硬度，强度，抗热应力性能更为良好的12CrMoV合金钢，经过技改后锅炉运行良好，可解决腐蚀甚至爆管问题。

参考文献：

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[2]郦晓慧，石岩，邱质彬，张锦文，郭延军，王兴合.燃气电厂余热锅炉低压蒸发器腐蚀现状调研及防治措施研究[J].华电技术，2017，39（08）.