某热电厂锅炉内20G省煤器管子泄漏事故分析

2013-09-19赵林松赵彦芬

电力安全技术 2013年11期

关键词：省煤器外壁露点

赵林松，李明，赵彦芬，王伟

（1.中广核检测技术有限公司，江苏苏州 215021；2.苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

某热电厂锅炉内20G省煤器管子泄漏事故分析

赵林松1，李明1，赵彦芬2，王伟2

（1.中广核检测技术有限公司，江苏苏州 215021；2.苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

通过化学成分分析、硬度实验、金相组织检验、体视金相观察、X射线衍射分析等方法，分析了某电厂锅炉内省煤器管子泄漏的原因，并提出了防止低温腐蚀的几点建议。该省煤器管子发生泄漏是由于硫的低温腐蚀，即硫酸露点腐蚀使管子不断减薄并洞穿而导致的。

20G钢；省煤器；泄漏；硫酸露点腐蚀

某热电厂锅炉内省煤器管子材质为20G，规格为Φ32×3 mm；省煤器出口介质温度为240 ℃。该省煤器管子于2001年11月投入运行，2005年9月检修中发现有1根管子洞穿泄漏，累计运行时间约2.2万h。该泄漏管子附近管排管子外观良好，未见明显管壁减薄现象。

为查明该管子泄漏的原因，对该管段进行了宏观检查、管子尺寸实测、化学成分分析、硬度测试、金相组织检验、管子外壁垢层形貌及结构分析、20G材料特征研究以及综合失效原因分析等试验、分析工作。

1 失效管子宏观特征及尺寸实测

图1为该省煤器泄漏管子的宏观形貌，泄漏点边缘明显减薄，但周边无冲刷磨损痕迹，内、外壁无明显氧化层；泄漏点减薄方向为由外壁向内壁减薄并洞穿。远离泄漏点处管子实测尺寸为Φ32.4×3.02 mm，与管子公称规格（Φ32×3 mm）相当，未发生减薄。

图1 省煤器失效管子的宏观形貌

2 化学成分分析

对该省煤器管子进行了化学成分分析，分析结果列于表1中。结果表明，该省煤器管子成分符合GB5310-95标准对20G钢的成分要求。

表1 省煤器管金属化学成分分析试验结果%

3 硬度测试

硬度是表征金属材料相对的软硬程度的力学性能指标，硬度测试可有效反映金属材料性能有无劣化。布氏硬度测试在金相试样表面进行，使用的布氏硬度试验仪器型号为HBRV-187.5,试验载荷为87.5 kg,钢球直径为2.5 mm,载荷保持时间为10 s。试验结果列于表2中。结果为：金相环1各测点的硬度值有少许差异，但泄漏处与背火面布氏硬度平均值相当；金相环2测试结果与金相环1相似，即各测点的硬度值有少许差异，其布氏硬度平均值与金相环1相当，表明该泄漏点处的材料力学性能并未明显劣化。

4 金相组织检验

金相试样取样位置见图1，分别在泄漏处及远离泄漏处割取金相环1和金相环2。金相照片见图2。检验结果：泄漏点、泄漏点附近以及远离泄漏处金相组织均为铁素体＋珠光体，珠光体为聚集形态，晶界上未见碳化物析出，如照片a、b、d；外壁减薄部位金属组织无变化；泄漏处内、外壁无脱碳，内、外壁边缘无明显方向性冲刷磨损痕迹，如照片c。

表2 布氏硬度测试结果HB

图2 泄漏管子不同位置组织形貌

5 管子外壁垢层体视形貌

发生泄漏的省煤器管子外壁被大量灰白色垢层覆盖，且灰白色垢层易于脱落。垢层在体视显微镜下的形貌为疏松的灰垢下呈现大量白色的盐状物质，如图3所示。

图3 省煤器管子外壁垢层体视形貌

6 管子外壁垢层元素组成及结构分析

对发生泄漏的省煤器管子外壁垢层进行了X-ray晶体结构衍射分析，使用的分析仪器为X′pert MPD Pro衍射仪。外壁垢层晶体结构X-ray衍射分析结果表明：外壁垢层的主要成分为CaSO4，其含量高达77 %，说明烟气中含有硫酸蒸汽，同时由于省煤器壁温较低，从而构成了硫酸露点腐蚀。另一方面，由于腐蚀产物主要为CaSO4，Ca为灰分成分说明发生了低温露点腐蚀与低温积灰交互作用而形成了恶性循环，这一恶性循环足以导致管壁减薄并最终洞穿泄漏。外壁垢层的次组分为SiO2，含量为20 %，SiO2为灰分成分。外壁垢层中还含有微量铁的硫化物FeS和FeS2以及氧化物Fe3O4，各占1 %。FeS、FeS2为硫的高温腐蚀产物，含量微量正说明了该管子主要发生了硫的低温露点腐蚀。

7 分析与讨论

依据上述试验结果可见，发生泄漏的省煤器管子的化学成分合格，金相组织正常，泄漏处硬度无明显下降。这一方面说明该管子泄漏同原始材料无关，另一方面也说明该管子运行温度在蠕变温度点以下。泄漏管子的宏观失效特征表现为因外壁的腐蚀减薄而导致的泄漏，管子外表面大量的附着物经XRD晶体结构分析为硫酸盐，结合该省煤器运行的温度区间，说明管子外壁存在硫的低温腐蚀现象。

20G钢在530 ℃以下运行时具有满意的抗氧化性能，但长期在450 ℃以上运行会发生珠光体球化和石墨化。该钢常用于制造高压、高参数的锅炉管件，若用作受热面管件，其长期使用的最高壁温应不高于450 ℃；用作联箱和蒸汽管道时，长期使用温度应不高于425 ℃。若将20G钢用于省煤器，还需考虑钢材抗硫酸露点腐蚀的性能。

产生硫酸露点腐蚀有2个要素：一是烟气中有硫酸蒸汽，二是受热面管子壁温低。燃煤中的硫燃烧后生成SO2，其中有一部分再氧化成SO3，SO3与烟气中的水蒸气结合成为硫酸蒸汽。当受热面壁温低于烟气中硫酸蒸汽的露点时，烟气中的硫酸蒸汽就会在金属壁面上凝结成液态硫酸，对金属产生强烈的酸性腐蚀，即产生硫酸露点腐蚀，故酸露点也称为烟气露点。烟气露点可达140～160 ℃，甚至更高。

硫酸露点腐蚀常经历3个阶段：①锅炉开始运行或刚刚停止运行时，受较低温度(≤80 ℃)和低浓度硫酸(≤60 %)的腐蚀，此时钢受到活态腐蚀；②锅炉进入正常运行状态时，金属表面已经达到设计温度，此时钢受到凝结出的高温、高浓度(＞60 %)硫酸的腐蚀，对于一般钢材仍处于活态腐蚀；③在锅炉运行状态下，金属表面温度和凝结的硫酸浓度都与第2阶段相同，不同的是硫酸中含有大量未燃烧的碳微粒，在它的催化氧化作用下，会生成大量Fe3+，使耐蚀钢(如含有Cr、B、Cu元素的钢)出现第4次钝化，而非耐蚀钢(如20G钢)却不钝化，腐蚀速率依然很高。选用含有耐蚀元素的钢材或控制燃料中硫的含量可以有效防止硫酸露点腐蚀现象的发生。

另外，受热面的低温露点腐蚀与低温积灰往往相互影响而形成恶性循环。积灰后受热面壁温降低，有助于硫酸蒸汽的凝结，而且在350 ℃以下被黏结的低温积灰能吸附SO3，使腐蚀加剧，同时又继续黏结飞灰；若腐蚀损坏受热面引起漏风，将使烟温进一步降低，从而加剧腐蚀与积灰的进行。