摘 要:某電廠低溫省煤器 ND鋼發(fā)生大面積腐蝕,采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、硬 度測試、掃描電鏡分析、X射線衍射分析、離子色譜分析等方法研究腐蝕原因。結果表明:試樣的化 學成分、顯微組織、顯微硬度等均符合標準要求;泄漏的水溶解了煙氣中的硫化物,形成酸性溶液并 吸附到管子外表面,溶解的F- 、Cl- 和SO2- 4 破壞了 ND鋼管壁表面的保護膜,導致低溫省煤器發(fā) 生大面積腐蝕。最后提出了改進建議,以避免低溫省煤器 ND鋼發(fā)生大范圍腐蝕。 

關鍵詞:低溫省煤器;ND鋼;腐蝕 

中圖分類號:TG142.3;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)08-0047-04

低溫省煤器利用煙氣余熱加熱機組凝結水,起 到降低鍋爐排煙溫度的作用[1]。低溫省煤器可顯著 提高機組熱效率,節(jié)能、節(jié)水效果顯著。目前,國內(nèi) 已有多家電廠進行了低溫省煤器的安裝和改造。

針對低溫省煤器的安裝位置、設計優(yōu)化和動態(tài) 特性等已有大量研究[2-3]。低溫省煤器雖然提高了 電站設備的熱效率,但是增加了電站系統(tǒng)的復雜性, 導致電站設備的失效事故發(fā)生率提高,給機組的運 行帶來安全隱患。 

低溫省煤器常規(guī)的失效模式有兩種。一種是飛 灰磨損[4],即尾部煙道中的灰粒和煙氣會沖刷并撞 擊低溫省煤器管外壁,剝離管子外壁的氧化膜和金 屬基體,導致管子外壁損傷減薄。研究表明,飛灰磨 損的程度與管子的布置、飛灰的流速、飛灰流向與管 壁的相對角度、管子的材料和工藝狀態(tài)等均有關。 改善低溫省煤器區(qū)域的煙氣流通均勻性可減輕飛灰 磨損的程度。低溫省煤器的第二種常見失效模式是 低溫腐蝕(露點腐蝕)[5],燃料燃燒后,當管子外壁溫 度低于硫酸蒸汽的露點溫度時,硫酸根離子與水蒸 氣會在管子外壁凝結,形成附著在管子外壁的酸液, 破壞管子外壁的氧化膜,腐蝕管子外壁。選用耐酸 腐蝕能力強的材料(如 ND 鋼、316L 不銹鋼、2205 雙相不銹鋼等),可減輕低溫省煤器管的露點腐蝕程度。

ND鋼廣泛應用于電站的低溫省煤器中,由于 ND鋼的耐硫酸腐蝕能力強,因此 ND鋼設備大面 積腐蝕的現(xiàn)象少有發(fā)生。 

某電廠低溫省煤器發(fā)生泄漏,該低溫省煤器投 入運行4a,管子規(guī)格為38mm×4.5mm(外徑×壁 厚),低溫段管和翅片材料均為 ND鋼,其余部位為 20G鋼。給水溫度為 61~91℃,出口水溫度為 83~105℃;煙氣進口溫度為126~156 ℃,煙氣出 口溫度為92~118℃。

度為92~118℃。 筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該低溫省 煤器管發(fā)生大面積腐蝕的原因,并提出相應的防范 措施和改進建議,為低溫省煤器的科學、合理運行提 供數(shù)據(jù)支撐。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

低溫省煤器樣管宏觀形貌如圖1所示。該低溫 省煤器管子及鰭片表面均發(fā)生嚴重腐蝕,腐蝕產(chǎn)物 呈黑褐色和黃色,鰭片間積灰較厚。在光管部位割 取一段樣管,可見鋼管外壁嚴重減薄。管子設計壁 厚為4.5mm,減薄嚴重區(qū)域壁厚僅為1.2mm。

1.2 化學成分分析 

鋼管設計材料為 ND鋼,從樣管截面中取樣并 進行化學成分分析,其中用紅外碳硫分析儀測量C、 S元素,用電感耦合原子發(fā)射光譜儀測量其他元素, 結果如表1所示,由表1可知,試樣的化學成分均符合GB/T150.2—2011《壓力容器 第2部分:材料》 的要求。

1.3 金相檢驗 

從管子減薄處與未減薄處各取一個試樣(編號 為1# 和2# ),置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖2 所示,由圖2可知:試樣顯微組織為鐵素體+珠光 體,管子內(nèi)壁附近帶狀組織明顯;腐蝕坑內(nèi)有腐蝕產(chǎn) 物,腐蝕坑附近顯微組織無明顯脫碳特征。

1.4 硬度測試 

使用維氏硬度計測試試樣的橫截面硬度,載荷 為294.2N,保載時間為15s,在管壁界面中間部位 取3個位置。得到的維氏硬度平均值分別為146, 146,147HV。相關標準中未對 ND鋼的硬度做出 規(guī)定,僅對其室溫拉伸性能有規(guī)定,其室溫抗拉強度為390 MPa~550 MPa。依據(jù)標準 DIN50150— 2000《金屬材料的試驗 硬度值換算》中關于常見鋼 材抗拉強度與材料維氏硬度的關系,推算 ND鋼的 硬度為122~172HV,可見管子試樣的硬度較均 勻,未見明顯差異。

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

采用掃描電鏡對試樣橫截面進行觀察,結果如 圖3所示,管子外壁氧化膜不連續(xù),部分區(qū)域氧化膜 已經(jīng)脫落,無氧化膜覆蓋,氧化膜與基體之間有縫 隙,說明氧化膜未對基體起到很好的保護作用。

管子外壁存在兩種不同顏色的附著物,一種是 在外壁分布的紅褐色物質(zhì),另一種是包裹著紅褐色 物質(zhì)的黃白色物質(zhì),兩層物質(zhì)均較疏松。

1.6 X射線衍射(XRD)分析 

為進一步確定紅褐色和黃白色物質(zhì)的組成,將該紅色物質(zhì)和黃白色物質(zhì)磨成粉末,采用 X射線衍 射分析儀得到其晶體的特征衍射峰(見圖4)。采用 軟件將粉末試樣的 XRD 譜圖與標準譜圖進行比 對。由圖4可知:紅褐色物質(zhì)主要成分為Fe2O3,黃 白色物質(zhì)主要成分為 Al6Si2O13(莫來石)和SiO2, 其他物質(zhì)含量較少,在 XRD譜圖中無法檢測到其 衍射峰。

1.7 試樣表面沉積物水溶性分析 

圖5 各垢樣在低溫省煤器上的取樣位置 對試樣不同部位的沉積物進行了水溶性分析, 取樣位置如圖5所示。1號試樣最外層沉積物呈暗 紅色;2號試樣為管子外壁的紅色沉積物,位置與1 號試樣相同;3號試樣為管子和鰭片最外層沉積物, 呈灰色;4號試樣為翅片表面腐蝕產(chǎn)物,呈黑色。根 據(jù)DL/T954—2005《火力發(fā)電廠水汽試驗方法 痕 量氟離子、乙酸根離子、甲酸根離子、氯離子、亞硝酸 根離子、硝酸根離子、磷酸根離子和硫酸根離子的測 定———離子色譜法》,用離子色譜儀對試樣進行水溶 性分析,結果如表2所示,結果顯示這幾種試樣均含有硫酸根離子、氯離子和氟離子。

1.8 煤質(zhì)分析 

為進一步確定硫酸根離子的來源,對電廠的實際 煤質(zhì)進行分析,并與設計煤質(zhì)進行對比,結果如表3所 示,由表3可知:實際煤質(zhì)的灰分和硫含量顯著高于設 計煤質(zhì),說明沉積物中的硫酸根離子主要來源于燃煤。

2 綜合分析 

當 ND鋼處于腐蝕環(huán)境時,其表面極易形成一 層薄的 致 密 保 護 膜,可 有 效 減 緩 硫 酸 的 腐 蝕 速 率[6-9]。因此,ND鋼無縫鋼管已被廣泛用于生產(chǎn)制 造某種高含硫的省煤器、熱交換器、空氣預熱器,以 及蒸發(fā)器等設備中[10],目的是用來抵御某種含硫煙 氣露點的腐蝕。

管樣表面保護膜并不連續(xù),與母材基體結合不 牢固,部分區(qū)域發(fā)生氧化膜剝落,并未對母材起到良 好保護作用。說明 ND鋼表面保護膜在服役過程中 遭到破壞。由表2中對不同部位的沉積物水溶性分 析結果可知,靠近管壁的內(nèi)層沉積物中硫酸根離子 含量較高,并含有少量鹵族元素陰離子(F- ,Cl- )。 研究表明,硫酸根離子、鹵族元素陰離子來源于鍋爐 煙氣[11]。硫酸根離子、F- 、Cl- 均可破壞 ND 鋼表 面的保護膜。

ND鋼管的腐蝕過程如圖6所示。ND鋼管表 面有一層致密保護膜;低溫省煤器泄漏,導致煙氣濕 度、黏度增加,飛灰沉積到管壁上,噴出的水對煙氣 中的雜質(zhì)(如硫的氧化物、氮的氧化物、氯化物等)溶 解性較強,相當于發(fā)揮了洗煙氣的作用。煙氣中的 硫氧化物和鹵族元素溶解在水滴中后,形成硫酸或 亞硫酸溶液及鹵族陰離子,并與煙灰共同沉積到管 子外表面,形成垢層。酸性條件促進鹵素陰離子破 壞氧化物保護膜,使金屬基體失去保護。失去保護 膜的金屬基體發(fā)生腐蝕。以上過程持續(xù)發(fā)展,最終 導致低溫省煤器發(fā)生大范圍嚴重腐蝕。

3 結論與建議 

(1)ND鋼管試樣的化學成分、顯微組織、硬度 等符合標準要求。 

(2)試樣腐蝕減薄的原因為:某些位置發(fā)生泄 漏后,未及時進行停機處理,泄漏的水溶解了煙氣中 的腐蝕性物質(zhì),沉積到管子外表面,溶解的F- 、Cl和SO4 破壞了管壁表面的保護膜,致使設備發(fā)生大 面積腐蝕。 

(3)ND鋼制低溫省煤器在潮濕的爐煙環(huán)境中 的抗腐蝕能力不強。 

(4)建議使用單位在低溫省煤器發(fā)生泄漏后盡 快進行停機處理,避免發(fā)生大范圍腐蝕現(xiàn)象。 

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<文章來源   > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 8期 (pp:47-50)>