垃圾焚烧炉水冷壁集箱手孔端盖泄漏原因分析

李宪爽, 高成龙, 程 义， 刘新星

(1. 哈尔滨锅炉厂有限责任公司, 哈尔滨 150046;2. 高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室， 哈尔滨 150046)

在飞速发展的城市化进程中，生活垃圾的妥善处理成为经济、社会及环境保护所面临的突出问题。垃圾焚烧发电技术因其具有垃圾处理的合理利用化、减容减量化和无毒无害化的优势，成为未来城市生活垃圾处置的优选技术[1-4]。生活垃圾的组分复杂多变、焚烧炉内工况复杂，燃烧产物在炉膛内部温度和风速的影响下易在焚烧炉受热面内形成堆积、黏连、腐蚀、冲刷等问题[5-7]。受热面失效通常是多种因素共同作用的结果。

某电厂垃圾焚烧机组主蒸汽质量流量为850 t/d，主蒸汽压力为6.5 MPa，主蒸汽温度为450 ℃。该机组在运行13 000 h后水冷壁集箱手孔端盖发生泄漏，端盖材质为Q345R，公称壁厚为13 mm。泄漏点在端盖顶部，端盖的迎风侧减薄明显，表面凹凸不平，手孔装置下部钢管未发现减薄，集箱附近厚度检查未发现异常。为了进行全炉水压查漏，现场对手孔端盖进行泄漏点封焊。笔者对端盖泄漏原因进行分析，以期为今后相关垃圾焚烧炉的安全运行和检修提供参考。

1 试验分析

1.1 宏观检查

集箱手孔端盖宏观形貌见图1。由图1可以看出：泄漏点位于手孔端盖迎风侧靠端部位置，该区域表面未发现明显积灰，其余部位存在较厚的积灰情况。样品泄漏点已进行现场补焊，泄漏点附近外表面存在腐蚀凹坑，凹坑表面较光滑，未发现覆盖物；其余位置外表面存在腐蚀凹坑，凹坑表面有黄棕色覆盖物，覆盖物呈局部分层剥落形貌，由覆盖物的颜色及所处环境分析，该覆盖物应为铁的氧化物。

图1 集箱手孔端盖宏观形貌

1.2 几何尺寸测量

将样品沿图1(b)中截面剖开进行端盖厚度观察发现，与样品顶部及背风侧相比，迎风侧厚度明显减薄，并且样品存在向外膨胀、变形的情况。

在样品截面上进行端盖厚度尺寸测量，测量结果见图2。由图2可以看出：端盖样品各位置壁厚均存在减薄现象，减薄程度为迎风侧(B点)大于背风侧(D点)，顶部(C点)大于底部(A点、E点)。

图2 集箱手孔端盖截面形貌及尺寸测量结果

1.3 化学成分分析

在样品上切取化学试样(1号试样，见图1(b))，采用OBLF QSN750直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。由表1可以看出：样品的化学成分符合标准GB/T 713—2014 《锅炉和压力容器用钢板》的规定。

表1 化学成分分析结果 %

1.4 力学性能检测

在样品上切取硬度试样(2号试样，见图1(b))，采用THBC-3000DD型布氏硬度计(压头直径为2.5 mm，试验力为1.839 kN)，对试样1/2壁厚处进行硬度检测，测量结果分别132HBW、131HBW、132HBW。根据ASME SA-370—2021 《钢制品力学性能试验的标准试验方法及定义》将测量布氏硬度平均值(132HBW)转换成近似抗拉强度，结果为440 MPa。结果表明，样品由布氏硬度转化的抗拉强度低于GB/T 713—2014的要求(Q345R材料抗拉强度在510～640 MPa)。

1.5 金相组织分析

在样品上切取金相试样(3号试样，见图1(b))，对试样进行粗磨、细磨和抛光后，使用4%(质量分数)硝酸酒精溶液进行腐蚀，采用AXIOVERT200MAT光学金相显微镜分别观察腐蚀后试样各位置的金相组织和晶粒度，检测结果见表2，金相组织见图3。

表2 金相组织检测结果

图3 端盖金相组织形貌

由表2及图3可以看出：样品金相组织及晶粒度符合材质特征。端盖近外壁处组织珠光体形态消失，珠光体球化严重，碳化物弥散分布在铁素体基体上；端盖1/2壁厚及近内壁处珠光体区域中的碳化物亦明显分散，但区域形态尚保留。此外，样品外表面凹凸不平，局部区域残留灰色氧化物。

1.6 扫描电镜及能谱分析

采用Apollo 300 型扫描电镜及QUANTAX能谱仪对3号试样外表面覆盖物的内层和外层进行分析，结果分别见图4和图5。

图5 试样外表面覆盖物外层能谱分析结果

由图4和图5可以看出：样品外表面覆盖物主要为铁的氧化物，含有一定的硫元素(覆盖物内层硫质量分数达1.85%)

2 综合分析

(1) 样品的化学成分符合GB/T 713—2014对Q345R材料的规定，排除材料错用。由样品布氏硬度转化的近似抗拉强度低于GB/T 713—2014对Q345R材料的规定。

(2) 通过样品整体宏观形貌和现场照片可知，样品发生轻微膨胀、变形，壁厚均发生减薄，壁厚减薄情况为：迎风侧大于背风侧，顶部大于下部。

样品表面凹凸不平，大部分区域被黄棕色物质覆盖，覆盖物呈局部剥落状态，由覆盖物的颜色及所处环境分析，该覆盖物应为铁的氧化物。这说明样品外表面受到腐蚀作用，产生了腐蚀凹坑并发生壁厚减薄。其中，迎风侧外表面未发现明显的覆盖物，表面较光滑，根据样品的实际安装位置可知，安装位置为焚烧炉后侧，该区域位于180°的烟气转折区，会受到烟气冲刷作用，烟气冲刷会使材质表面的氧化膜和腐蚀产物持续破损、脱落，导致不断露出新鲜的基体，从而加速腐蚀。因此，迎风侧的腐蚀减薄程度会大于背风侧的腐蚀减薄程度。

(3) 由金相组织分析可知，整个样品组织球化较为严重，近外壁处组织中的珠光体形态已经消失，碳化物呈弥散转态分布于铁素体基体上，1/2壁厚及近内壁处珠光体区域形态尚保留。结合硬度检测结果及膨胀变形情况，判断该端盖经受了超温运行，高温导致组织球化严重，力学性能下降，在内部压力的作用下，发生膨胀变形，壁厚减薄。此外，端盖超温运行也会促进腐蚀的发生与加剧。

(4) 由扫描电镜和能谱分析结果可知，样品表面覆盖物主要为铁的氧化物和硫化物，判断腐蚀介质主要为烟气中的硫元素，样品表面发生的腐蚀过程为高温硫腐蚀。

综上所述，端盖在运行过程中发生冲刷腐蚀并伴有高温硫腐蚀及过热。烟气冲刷使材质表面的氧化膜和腐蚀产物持续破损、脱落，导致不断露出新鲜的基体，从而加速腐蚀。过热运行导致材料强度下降，并促进腐蚀的产生与加剧，使得有效截面减小，进而导致截面所能承受的应力减小，在内部压力的作用下发生膨胀变形，壁厚进一步减小。因此，端盖迎风侧在过热和冲刷腐蚀的共同作用下，壁厚减薄严重，导致泄漏发生。

3 结语

Q345R手孔端盖化学成分符合标准规定，在集箱运行过程中发生过热，组织球化严重，力学性能低于GB/T713—2014对Q345R材料的规定。

分析Q345R手孔端盖发生泄漏的原因为：设备存在过热运行，并且端盖外表面发生高温硫腐蚀，迎风侧发生冲刷腐蚀。在过热运行与腐蚀共同作用下，端盖壁厚减薄严重，不能承受其内部工质的压力而发生开裂泄漏。