某余热锅炉受热面管腐蚀穿孔原因

(国家特种金属结构材料质量监督检验中心, 杭州 310006)

2018年6月，某焦炉配套的焦炉尾气余热锅炉在安装完成、整体水压合格、酸洗正常、调试正常的情况下运行2～3个月后发现蒸发器受热面管发生泄漏。泄漏发生在高压段I级蒸发器受热面管直管位置，如图1所示。该组蒸发器共有46根直管，对最初发生泄漏的2根直管做了堵管处理，在检修过程中又发现有2根管泄漏。受热面管材料为20G钢，规格为φ39 mm×5.5 mm。正常运行时，管外部介质为焦炉余热烟气，烟气温度440～490 ℃，管内部介质为汽、水混合物，温度约340 ℃，工作压力为14.6 MPa，流速为0.3 m·s-1[1]。发生泄漏的位置位于管的向火面一侧，为找到该直管泄漏失效的原因，笔者在泄漏点附近取一段管试样，并对试样进行硬度测试、金相检验，对内壁附着物进行扫描电镜(SEM)分析、能谱(EDS)分析、X射线衍射(XRD)分析。

图1 受热面管泄漏位置示意图Fig.1 Diagram of leakage location on heating surface tube

1 理化检验

1.1 宏观分析

在受热面管的泄漏位置截取一段圆管试样进行观察，其宏观形貌如图2所示。可见管试样外壁无明显塑性变形、机械损伤、磨损等现象，外壁有少量氧化皮。将试样沿轴向剖开并进行观察，取样位置及宏观形貌如图3所示，可见内壁有明显腐蚀坑，腐蚀坑集中在两条线上，形成了两条腐蚀沟槽，沟槽最深处管壁壁厚为1.8 mm。根据现场调查信息，两条沟槽之间附着有腐蚀产物的区域为向火面；向火面内壁的附着物表面粗糙，质地较坚硬，中间较厚，最厚处壁厚约为2.2 mm；附着物覆盖处管壁未见明显减薄。

图2 泄漏受热面管试样外壁宏观形貌Fig.2 Macro morphology of tube sample on theouter wall of leakage heating surface

图3 泄漏受热面管试样内壁宏观形貌Fig.3 Macro morphology of tube sample on theinner wall of leakage heating surface

1.2 化学成分分析

对管试样进行化学成分分析，结果如表1所示。可见化学成分满足GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对20G钢的要求。

1.3 硬度测试

对管试样的向火面和背火面进行硬度测试，结果如表2所示。可见管试样向火面的硬度部分测试结果超出GB/T 5310—2017的要求，且略高于背火面。背火面硬度略低是由于钢管是水平放置的，管中温度较低的水处于底部，即向火面，而温度较高的蒸汽在钢管上部， 即背火面，背火面长期处于温度较高的环境，硬度下降较快。

表1 泄漏受热面管的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of leakage heating surfacetube (mass fraction) %

表2 泄漏受热面管的硬度测试结果Tab.2 Hardness test results of leakage heating surface tube HV1

1.4 金相检验

使用体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀管试样，并对管试样的向火面、背火面及腐蚀坑附近进行观察[2]。可见，管试样向火面和背火面的显微组织均为铁素体+呈带状分布的珠光体，晶粒细小均匀，参照GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》的技术要对其晶粒度进行评级，结果为7.5级，此外未见微裂纹和明显的非金属夹杂物聚集等其他组织缺陷；向火面内、外壁均未见明显脱碳层，内壁可见腐蚀产物附着；背火面内、外壁均未见明显脱碳层，内、外壁均可见明显氧化物，如图4和图5所示。腐蚀坑底部覆盖着一层氧化腐蚀产物，显微组织未见珠光体球化，未见脱碳层、过热或其他组织缺陷，如图6所示。

图4 管试样向火面显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of fire facing surface of tube sample:a) inner wall; b) outer wall

图5 管试样背火面显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of back fire surface of tube sample:a) inner wall; b) outer wall

图6 腐蚀坑显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of corrosion pit:a) at low magnification; b) at high magnification

根据管试样的金相检验结果可知，钢管的显微组织满足GB/T 5310—2017对20G钢的要求；热轧钢管在制造过程中一般会在内、外壁形成一定厚度的脱碳层，在正常运行一段时间之后，钢管的脱碳层厚度往往会增加[3]。管试样内、外壁均未观察到明显的脱碳层，说明管子的运行环境中氧化气氛较高或运行温度过高[4]；同时，管试样的显微组织未见珠光体球化、晶粒长大等其他过热组织，故排除运行温度过高的情况[5-6]。综合金相检验结果可知，钢管的显微组织满足标准的要求，钢管运行环境中的氧化气氛较高[7]。

1.5 扫描电镜及能谱分析

对管试样向火面内壁附着产物进行SEM及EDS分析。可见管试样向火面内壁附着物表面疏松，如图7所示。

图7 管试样向火面内壁附着物SEM形貌Fig.7 SEM morphology of inner wall attachment on firefacing surface of tube sample：a) position 1; b) position 2

对附着物表面和附着物底部与金属基体的接触面进行能谱分析。图8为内壁附着的腐蚀产物能谱分析位置及结果，可见腐蚀产物主要由碳、氧、硅、铁元素组成，推测可能为铁的氧化物、硅酸铁和碳酸铁[8]。图9为剥离腐蚀产物后钢管内壁能谱分析位置及结果，可见钢管内壁主要由碳、氧、铁元素组成，推测可能为铁的氧化物和碳酸铁。

图8 内壁附着物EDS分析位置及结果Fig.8 EDS analysis a) position and b) results ofinner wall attachment

图9 腐蚀产物下基体的EDS分析位置及结果Fig.9 EDS analysis a) position and b) results of matrixunder corrosion products

1.6 XRD分析

对向火面内壁附着物进行XRD分析，特征谱图如图10所示，结果表明附着物符合Fe3O4的X射线衍射特征。

图10 向火面内壁附着物XRD分析结果Fig.10 XRD analysis result of inner wall attachmenton fire facing surface

1.7 工况分析

通过查阅相关水处理记录和了解现场情况，发现该余热锅炉水质处理方面存在以下问题。

(1) 饱和蒸汽、过热蒸汽、再热蒸汽中氢电导率超标。现场测得的氢电导率最小值为0.18 mS·cm-1，最大值为0.42 mS·cm-1，超过GB/T 12145—2016《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中规定的蒸汽氢电导率不大于0.15 mS·cm-1的要求值，说明蒸汽受到一定污染[9]。

(2) 凝结水硬度超标。凝结水硬度约为0.1 mol·L-1，依据GB/T 12145—2016的要求，凝结水的硬度应约等于零。而该余热锅炉给水60%(质量分数，下同)以上是凝结水，且进锅炉前，凝结水未经妥善处理。

2 分析与讨论

管试样化学成分满足标准的要求；试样内、外壁未见明显脱碳层，未见过热组织或其他明显组织缺陷；硬度测试结果显示该管试样整体硬度与该设备的正常运行状况相符，未见异常；腐蚀沟槽底部覆盖着一层氧化腐蚀产物。锅炉用钢管一般在管子表面会有脱碳层，脱碳层的存在可以对管子基体提供一定的保护作用，如果脱碳层完全剥离，在高温气氛下，暴露的金属基体会快速氧化、腐蚀。根据金相检验结果可知，管试样内壁特别是腐蚀部位存在快速的腐蚀和剥离过程，在其作用下，管试样的脱碳层在被腐蚀之后迅速脱落，暴露出金属基体。

扫描电镜分析结果表明内壁覆盖的腐蚀产物结构疏松；能谱分析结果表明内壁覆盖的腐蚀产物中主要含有铁、氧、硅、碳等元素； XRD分析结果显示该腐蚀产物为Fe3O4。

通过分析现场水质检测数据发现，饱和蒸汽、过热蒸汽、再热蒸汽中氢电导率超标，蒸汽中盐类含量超标，凝结水硬度超标。由于该锅炉运行时间短，造成以上水质异常的原因较为复杂。该余热锅炉给水60%组成以上是凝结水，且进锅炉前，凝结水未经妥善处理，可能对炉管造成损伤。

综合钢管运行情况和理化检验结果，判断此次失效原因是锅炉内水质不合格，导致受热面管在高温、高压的运行环境中发生了气泡腐蚀。腐蚀反应侵蚀了脱碳层，在钢管内壁形成腐蚀产物附着层；由于管子内下半部分的循环水两侧是热交换效率最高的位置，管子在水、汽两相界面处为沸腾最激烈的位置[10]，沸腾产生的气泡冲击导致附着的腐蚀产物不断脱落，露出金属基体，加速了腐蚀向管子厚度方向的扩展[11]；由于腐蚀集中在水面两侧，故在管子内壁形成两条腐蚀沟槽。

3 结论及建议

该余热锅炉泄漏的原因是锅炉内水质不合格，导致受热面管在高温、高压的运行环境中发生了沸腾气泡腐蚀。腐蚀反应侵蚀了管子内壁的钝化层，管子在水、汽两相区腐蚀反应进行的最剧烈，腐蚀深度最深，形成了不断加深的腐蚀沟槽，最终导致泄漏。

建议运行过程中，对循环水水质，尤其是氧含量进行严格控制，应特别关注凝结水等环节的处理；注意调整运行参数，控制内部介质流速，防止类似事故发生。