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失效現(xiàn)場直擊——解析高鉻白口鑄鐵爐排片腐蝕穿孔原因

2018-08-14 11:12:35 作者：王勇來源：腐蝕與防護分享至：

隨著生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，機械爐排焚燒爐逐漸成為發(fā)電企業(yè)的首選。

某單位1號爐使用的爐排形式為馬丁SITY2000型生活垃圾焚燒爐，為逆推爐排。該爐排在投入運行17440h后，其爐排片存在不同程度的腐蝕，并出現(xiàn)了爐排片發(fā)生穿孔的現(xiàn)象。

為避免和防止同類失效的再次發(fā)生，筆者采用相關(guān)技術(shù)手段對該穿孔爐排片進行了檢驗和分析，以查明其穿孔失效的具體原因，為今后機組的安全運行提供相關(guān)依據(jù)和指導。

理化檢驗

1 宏觀檢查

對失效爐排片進行宏觀檢驗，其宏觀形貌如圖1所示。由圖1可見，失效爐排片外壁表面存在大量疏松分層的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物與基體結(jié)合松散，輕敲可見塊狀脫落，且部分區(qū)域已腐蝕穿孔，穿孔處爐排片厚度明顯減薄。

圖1 失效爐排片表面宏觀形貌

2 化學成分分析

依據(jù)DL/T 991-2006《電力設(shè)備金屬光譜技術(shù)導則》進行化學成分分析，結(jié)果見表1，從成分來看，失效爐排片材料應為高鉻白口鑄鐵。

表1 失效爐排片化學成分（質(zhì)量分數(shù)）

3 金相檢驗

根據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》分別在失效爐排片穿孔處和遠離穿孔處切取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光和FeCl3鹽酸溶液侵蝕后，在金相顯微鏡下觀察。

圖2失效爐排片穿孔處金相組織圖片圖2為失效爐排片穿孔處的顯微組織形貌，可見外壁有厚約0.91mm的腐蝕層。失效爐排片穿孔處基體顯微組織為珠光體、馬氏體和殘留奧氏體，其上分布著共晶萊氏體及碳化物，部分馬氏體已自回火。

圖3 失效爐排片遠離穿孔處金相組織圖片圖3為失效爐排片遠離穿孔處的顯微組織形貌，可見外壁有厚約0.16mm的腐蝕層。失效爐排片遠離穿孔處基體顯微組織為珠光體、馬氏體和殘余奧氏體，其上分布著共晶萊氏體及碳化物，部分馬氏體已自回火。

比較圖2和圖3可知：圖2穿孔處顯微組織相對于遠離穿孔處的老化更嚴重，而遠離穿孔處顯微組織更加接近與正常高鉻白口鑄鐵的鑄態(tài)組織。

圖4 穿孔處顯微組織背散射電子像

圖5 穿孔處顯微組織背散射電子像能譜線掃描結(jié)果

圖6 遠離穿孔處顯微組織背散射電子像能譜線掃描結(jié)果

由圖4-圖6可知，晶界處的Cr、C含量比晶內(nèi)的高，說明Cr元素在晶界處富集并生成Cr的碳化物，可能是Cr3C6。Cr元素的偏析一方面使得晶界與晶內(nèi)形成原電池，加速了組織在高溫環(huán)境下的腐蝕行為；另一方面使得金屬材料表面很難形成致密的Cr2O3氧化膜，無法阻止金屬材料在高溫、腐蝕性環(huán)境中的腐蝕行為。

由圖5和圖6可知，穿孔處組織晶界處的貧Cr情況比遠離穿孔處的更加嚴重，使得穿孔處組織更容易被腐蝕。

4 爐排片腐蝕產(chǎn)物分析

由圖7a）可見，失效爐排片外壁腐蝕產(chǎn)物疏松分層，腐蝕層存在撕裂脫落的趨勢。能譜分析結(jié)果顯示，外壁表面腐蝕層部位，除檢測到Fe、O、Cr元素外，還檢測到含量較高的S、Cl等腐蝕性元素以及一定量的K、Ca、Na等元素。

圖7失效爐排片外壁表面腐蝕產(chǎn)物SEM形貌及EDS譜

5 布氏硬度分析

依據(jù)GB/T 231.1-2009《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》進行試驗，結(jié)果見表2。可見，遠離穿孔處組織的硬度高于穿孔處的。

表2 硬度試驗結(jié)果

綜合分析

由以上理化檢驗結(jié)果可知，失效爐排片外壁腐蝕嚴重，表面存在大量的腐蝕產(chǎn)物，壁厚存在減薄，且局部出現(xiàn)穿孔。通過對外壁表面腐蝕產(chǎn)物進行X射線能譜分析發(fā)現(xiàn)，外壁腐蝕產(chǎn)物中除檢測到Fe、O、Cr元素外，還檢測到含量較高的Cl、S等腐蝕性元素，以及一定量的K、Na和Ca等元素。

該爐排片在運行過程中接觸到Cl、S等腐蝕性元素，這與焚燒含Cl、S的塑料等垃圾有很大關(guān)系。一方面，垃圾焚燒后產(chǎn)生大量的HCl或Cl2氣體，HCl溶于爐排外壁表面的氧化層中，破壞外表面的氧化膜和金屬；同時，煙氣中的Cl2也具有很強的氧化性，能夠與爐排片金屬及氯化物發(fā)生反應。另一方面，S元素的存在也會加速爐排外壁的腐蝕，S會以氣態(tài)的SO2和SO3與HCl共同侵蝕金屬外壁，或者與燃料中金屬元素Na、K、Ca等反應生成硫酸鹽或硫化物，沉積在外壁，直接與爐排片外壁發(fā)生腐蝕反應。

另外，根據(jù)電廠提供資料可知，1號機組在運行時冷卻風量不足，易造成爐排片溫度過高，加速Cl、S等腐蝕性元素與爐排片發(fā)生高溫腐蝕反應。

最后，爐排片穿孔處顯微組織中邊緣珠光體區(qū)域更多，晶粒色澤更深，向內(nèi)的馬氏體和殘余奧氏體組織更少。因此相對于遠離穿孔處的組織來說，穿孔處組織更容易被腐蝕，成為腐蝕環(huán)節(jié)最薄弱的部位。

爐排片外壁在高溫、腐蝕性環(huán)境作用下發(fā)生各種腐蝕反應形成的腐蝕產(chǎn)物呈疏松狀態(tài)，在高溫煙氣的快速沖刷下不斷脫落，導致爐排片壁厚不斷減薄，最后在薄弱部位即穿孔部位優(yōu)先發(fā)生腐蝕穿孔失效。

結(jié)論及建議

機組運行時冷卻風量不足，以及焚燒垃圾中的Cl、S等腐蝕性元素共同導致爐排片在Cr元素偏析位置發(fā)生高溫腐蝕反應，腐蝕產(chǎn)物在高溫煙氣的快速沖刷下不斷脫落，使爐排片壁厚不斷減薄，最后在薄弱部位優(yōu)先發(fā)生腐蝕穿孔失效。

建議加強運行控制，緩解鍋爐結(jié)焦和積灰，避免爐排片因局部受熱不均導致溫度過高；另在機組運行時應確保冷卻風量充足，降低爐排片發(fā)生高溫腐蝕的風險。

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責任編輯：韓鑫

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