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失效分析現(xiàn)場直擊——余熱鍋爐受熱面管腐蝕泄漏分析

2018-09-27 11:19:47 作者：王智春來源：理化檢驗(yàn)—物理分冊分享至：

燃?xì)鈾C(jī)組的余熱鍋爐是利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣的熱量產(chǎn)生蒸汽的裝置，主要采用對(duì)流換熱的方法，其受熱面采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，具有熱效率高、成本低并且安裝簡便等優(yōu)點(diǎn)。

但是，余熱鍋爐受熱面管的腐蝕問題一直以來都是研究的熱點(diǎn)，較常出現(xiàn)的問題有管子外壁低溫腐蝕、內(nèi)壁流體加速腐蝕、氧腐蝕等。受熱面管氧腐蝕通常發(fā)生在機(jī)組停備階段，新建機(jī)組和運(yùn)行機(jī)組對(duì)其重視程度往往不夠，此外如果在運(yùn)輸、保存等過程中保護(hù)不當(dāng)也會(huì)引起氧腐蝕，且不易被檢查發(fā)現(xiàn)，因而會(huì)帶來很大的安全隱患。

某廠2臺(tái)臥式余熱鍋爐在機(jī)組調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)受熱面模塊底部有滴水現(xiàn)象，從整體啟動(dòng)至發(fā)現(xiàn)泄漏停機(jī)共計(jì)13天（d），滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間僅為10h。停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)部分管子內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，如圖1和圖2所示。

圖1 1號(hào)爐嚴(yán)重腐蝕管段內(nèi)壁宏觀形貌

圖2 2號(hào)爐嚴(yán)重腐蝕管段內(nèi)壁宏觀形貌

經(jīng)統(tǒng)計(jì)2臺(tái)余熱鍋爐的受熱面管子共計(jì)5130根，發(fā)生泄漏的管子有24根，內(nèi)壁嚴(yán)重腐蝕但未泄漏的管子約150根。為了查明此次余熱鍋爐受熱面管泄漏的原因，對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，并提出了預(yù)防措施。

理化檢驗(yàn)

對(duì)泄漏模塊進(jìn)行取樣，內(nèi)壁嚴(yán)重腐蝕管7根，標(biāo)記為A組；內(nèi)壁無明顯腐蝕管10根，標(biāo)記為B組；與發(fā)生泄漏管段相同規(guī)格、相同材料、相同生產(chǎn)廠家的原始管2根，標(biāo)記為C組。每組中的試樣隨機(jī)編號(hào)為1，2，3……以此類推，如A1，A2，B1等。

1宏觀觀察

對(duì)A，B，C3組試樣分別沿管子長度方向縱剖后取長度約60mm的試樣觀察內(nèi)壁。A組試樣內(nèi)壁表面顏色呈紅褐色或者黑褐色，具有附著物，其量多且厚，質(zhì)地堅(jiān)硬，經(jīng)敲打后也不易脫落，附著物呈塊狀、鼓包狀或潰瘍狀，如圖3所示。

圖3 A組試樣內(nèi)壁宏觀形貌

選試樣A1用5％（體積分?jǐn)?shù)，下同）稀鹽酸溶液在常溫條件下分別浸泡靜置5，40，48h后的形貌如圖4所示，可見腐蝕產(chǎn)物剝落后內(nèi)壁存在盆狀、半球狀的凹坑，直徑為1~6mm，深度為0.5~2mm。

圖4 A1試樣內(nèi)壁經(jīng)過酸液浸泡不同時(shí)間后的宏觀形貌

B組管樣內(nèi)壁未見明顯腐蝕，內(nèi)壁附著物較薄且質(zhì)地疏松，呈黑色或黑褐色。選試樣B1在常溫條件下使用5％稀鹽酸溶液進(jìn)行浸泡靜置10h，然后使用酒精進(jìn)行清洗，觀察可見內(nèi)壁平整無凹坑，如圖5所示。

圖5 B1試樣內(nèi)壁宏觀形貌

C組試樣內(nèi)壁無腐蝕產(chǎn)物或垢層。

2化學(xué)成分分析

表1 A2試樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

由表1可知，所有元素的含量均符合ASME SA—210/SA—210M－2013《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管子》的要求。

3力學(xué)性能測試

表2 C1和C2管子力學(xué)性能測試結(jié)果

由表2可知：原始管樣C1和C2力學(xué)性能指標(biāo)全部符合要求。

4金相檢驗(yàn)

對(duì)試樣A3，B3，C3縱剖面進(jìn)行預(yù)磨、拋光，根據(jù)GB/T 10561－2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定———標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)試樣的非金屬夾雜物含量進(jìn)行評(píng)價(jià)，3個(gè)試樣均含有D類夾雜物，級(jí)別分別為D1，D1.5，D1，夾雜物含量較低。

使用4％（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液對(duì)試樣A3，B3，C3進(jìn)行侵蝕后，觀察顯微組織，如圖6~9所示。A3試樣經(jīng)酸洗后腐蝕坑處的顯微組織形貌如圖6所示，最薄區(qū)域壁厚僅僅只余609μm；基體顯微組織為鐵素體＋珠光體，如圖7所示，內(nèi)外壁未見脫碳層。B3試樣內(nèi)壁未見明顯腐蝕坑，C3內(nèi)壁無腐蝕痕跡，B3和C3試樣基體顯微組織均為鐵素體＋珠光體，內(nèi)外壁未見脫碳層，如圖8和圖9所示。

圖6 A3試樣腐蝕坑處顯微組織形貌

圖7 A3試樣基體顯微組織形貌

圖8 B3試樣內(nèi)壁顯微組織形貌

圖9 C3試樣內(nèi)壁顯微組織形貌

5掃描電鏡及能譜分析

對(duì)A1，A4，A5，A6，A7，B4，B5，B6，C4，C5共10個(gè)試樣進(jìn)行能譜分析，測試點(diǎn)共計(jì)129個(gè)，部分典型測試結(jié)果見表3。

表3 部分試樣能譜分析典型結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

其中譜圖3、譜圖58和譜圖65為基體化學(xué)成分測試結(jié)果，可見基體化學(xué)成分正常。

對(duì)試樣A4內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物逐層分析，測試位置如圖10所示，典型測試結(jié)果為譜圖4、譜圖6、譜圖7、譜圖11和譜圖12，不同層的腐蝕產(chǎn)物主要元素為鐵和氧，且鐵元素和氧元素的原子比大致接近2/3或3/4。

圖10 A4試樣縱剖面能譜分析位置

6XRD分析

從A5，A6，A7試樣內(nèi)壁刮取粉末并進(jìn)行物相分析，典型譜圖如圖11和圖12所示。

圖11 A6試樣XRD譜

圖12 A7試樣XRD譜可知XRD分析結(jié)果與EDS分析結(jié)果具有一致性，內(nèi)壁附著物均為鐵的氧化產(chǎn)物，其中A5和A7試樣為Fe2O3，A6試樣為Fe3O4。

分析與討論

發(fā)生泄漏及同批次管子材料化學(xué)成分、力學(xué)性能以及顯微組織均正常，能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

泄漏管子內(nèi)壁具有較多的腐蝕產(chǎn)物，呈紅褐色或者黑褐色，腐蝕產(chǎn)物呈鼓包狀、塊狀、潰瘍狀，去除后可見內(nèi)壁存在凹坑，具有碳鋼氧腐蝕的典型宏觀特征。

腐蝕產(chǎn)物表層呈現(xiàn)紅色，內(nèi)部則呈現(xiàn)黑色，對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS和XRD分析，結(jié)果表明兩種腐蝕產(chǎn)物均為鐵的氧化物，紅色產(chǎn)物為Fe2O3，黑色產(chǎn)物為Fe3O4，是氧腐蝕的特征產(chǎn)物。

腐蝕產(chǎn)物的組成以及腐蝕坑的形貌均說明了管段失效原因?yàn)楣軆?nèi)壁發(fā)生了局部氧腐蝕，發(fā)生腐蝕的部位變薄形成凹坑，嚴(yán)重部位穿孔泄漏。

泄漏管子內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物量多而厚，且有明顯的分層現(xiàn)象，這是因?yàn)檠醺g是一個(gè)逐漸進(jìn)行的過程，在腐蝕最初階段腐蝕產(chǎn)物并不會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，只有發(fā)展到一定程度后才會(huì)逐漸發(fā)生分層。

由此可推斷管子發(fā)生腐蝕的時(shí)間可能是在管子加工存放、運(yùn)輸保存或安裝調(diào)試期間。

在安裝調(diào)試期間管內(nèi)會(huì)接觸到介質(zhì)的環(huán)節(jié)主要有水壓試驗(yàn)、化學(xué)清洗和試運(yùn)行。但是發(fā)生氧腐蝕的管子約占總數(shù)的3.4％，泄漏管分布無規(guī)律，并不集中出現(xiàn)在某一屏或某一模塊。如果水壓試驗(yàn)、化學(xué)清洗和試運(yùn)行對(duì)管子造成影響，應(yīng)該是大面積的、普遍性的，而不會(huì)只作用于某幾根管子內(nèi)。因此，水壓、酸洗和試運(yùn)行并不是引起本次泄漏和腐蝕的主要因素。

另外，電廠建設(shè)進(jìn)度資料表明，受熱面管從到達(dá)電廠到開始吊裝之間的時(shí)間不足30d，這樣短的時(shí)間內(nèi)不足以產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，氧腐蝕應(yīng)該在達(dá)到電廠之前就已經(jīng)發(fā)生。

結(jié)論與建議

發(fā)生泄漏管子的內(nèi)壁具有較多的腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)分析為鐵的氧化物。腐蝕產(chǎn)物的組成以及腐蝕坑的形貌均說明管子內(nèi)壁發(fā)生了局部的氧腐蝕，腐蝕部位變薄形成凹坑，嚴(yán)重部位發(fā)生穿孔泄漏。泄漏的受熱面管隨機(jī)分布，即使相鄰管子的腐蝕程度也存在很大差異，無規(guī)律性。

因此在無有效檢測手段用以確認(rèn)管子是否存在腐蝕的情況下，建議對(duì)相同規(guī)格的受熱面模塊進(jìn)行整體更換，避免運(yùn)行中陸續(xù)出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

后續(xù)跟蹤顯示，該電廠整體更換了2臺(tái)余熱鍋爐的全部受熱面模塊后，至今未再發(fā)生同類事故。

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