闪蒸罐过滤器腐蚀泄漏原因

袁永健,耿文远,刘素芬,张志伟,丛琳琳,温铁丽

(内蒙金属材料研究所,包头 014034)

闪蒸罐是一种重要的节能装置,其原理是在温度不变的情况下,通过降低物料的压力来降低物料的沸点,从而达到使物料汽化的目的。闪蒸罐常被用于锅炉排污和过热凝结水的余热回收,过热凝结水或锅炉排污水沿闪蒸罐切线进入罐内,根据流体两相流和涡流分离理论,在罐内产生闪蒸汽,可以将闪蒸汽引入低压蒸汽管道或通过喷射器加压后将闪蒸汽引入中压管道,再进入用热设备,同时加热物料,使原来低品质的热能重新得到利用,所以闪蒸汽可以用在热力发电厂锅炉排水的回收和地热发电中[1-4]。在闪蒸罐的管道系统中,通常采用过滤器对物料进行过滤,闪蒸罐过滤器在使用过程中需承担大量的物料冲刷以及内壁介质的腐蚀作用,阀门容易产生汽蚀、点蚀等腐蚀损坏[5-7]。

某电厂闪蒸罐及其管道系统过滤器液体出口段中部附近发生泄漏,过滤器在闪蒸罐中的位置如图1所示,过滤器泄漏部位外观如图2所示。闪蒸罐过滤器内壁介质的主要成分为水、MDEA(N-甲基二乙醇胺)、CO2、甲醇、甲烷、H2S等,管道压力为0.4 MPa,工作温度为30～40℃。笔者采用一系列理化检验方法对过滤器泄漏原因进行分析,以防止该类问题再次发生。

图1 过滤器位置现场照片

图2 过滤器泄漏部位外观

1 理化检验

1.1 宏观观察

该过滤器试样大体呈“T”型,左右两端为法兰,下部为封头段,封头段末端被封头封闭,其中液体入口段的管程较短,液体出口段的管程较长,漏点位于液体出口段中部附近的侧面位置。

漏点附近外表面未见明显塑性变形和胀大鼓包现象(见图3),在漏点及其附近位置取样进行金相检验;漏点附近内表面可见不均匀分布的凹坑(见图4)。为了便于观察过滤器试样的内部状况,并分析其泄漏原因,沿该试样纵向剖开,在内表面可见较多的凹坑(见图5)。

图3 漏点附近外表面宏观形貌

图4 漏点附近内表面宏观形貌

图5 纵向剖开试样后内表面的宏观形貌

分别对过滤器试样内部的入口段、封头段和出口段进行观察,在入口段可见少量的小凹坑,形态呈点状分散分布,凹坑大小不同、深浅不一,凹坑深度大于其孔径,符合点蚀特征,其入口段凹坑宏观形貌如图6所示。

图6 过滤器试样入口段凹坑宏观形貌

封头段凹坑的大小、形态和入口段凹坑相似,符合点蚀特征。在封头段的底部,凹坑较分散,且数量较少,部分点蚀坑中可见腐蚀产物,在封头段的上部,凹坑数量较多,分布相对集中,其封头段凹坑宏观形貌如图7所示。

图7 过滤器试样封头段凹坑宏观形貌

在出口段可见明显的冲刷痕迹,凹坑主要分布在靠近封头段和该段中部,整体形貌如图8a)所示。在靠近封头段,凹坑较大,且较分散,部分凹坑中可见腐蚀产物,形态和封头段相似,符合点蚀特征[见图8b)];在该段中部,凹坑密集且数量较多,形态不规则,呈马蹄形,具有一定的汽蚀特征[见图8c)～8e)];过滤器试样的漏点位于该区域内,漏点内可见腐蚀产物[见图8f)]。

图8 过滤器试样出口段凹坑宏观形貌

该试样内表面的缺陷以点蚀为主,但不同位置点蚀坑的大小、数量、形态不同,出口段凹坑具有一定的汽蚀特征。

1.2 化学成分分析

用直读光谱仪对过滤器试样材料进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:该材料的化学成分符合GB/T12229—2005《通用阀门碳素钢铸件技术条件》对ZG250-485铸钢的要求。

表1 过滤器试样材料的化学成分分析结果 %

1.3 扫描电镜(SEM)和能谱分析

采用SEM 和能谱分析方法对腐蚀坑内的腐蚀产物进行分析,结果如图9所示,由图9可知:腐蚀产物中的氧元素含量较高,此外还有铝、钠、硫、钾等元素,表明腐蚀产物主要为氧化物以及一些其他的盐类物质。

图9 腐蚀产物能谱分析结果

1.4 金相检验

在图3所示位置取样,磨抛试样后,将其置于光学显微镜下观察,结果如图10所示,由图10可知:夹杂物沿管壁呈纵向分布;局部区域可见明显的疏松缺陷;腐蚀后组织为(针状+块状)铁素体+珠光体+魏氏体,是正常铸钢在铸态下的组织。

图10 基体试样金相检验结果

对过滤器漏点及其附近位置进行金相检验,结果如图11所示,由图11可知:未见明显塑性变形,局部区域可见疏松、裂纹等铸造缺陷,铸造缺陷从表面延伸至基体内部,表明过滤器的泄漏与铸造缺陷有关;另外,在内表面点蚀坑处也可见疏松等铸造缺陷,且点蚀坑起始于铸造缺陷,表明点腐蚀的发生也与铸造缺陷有关。

图11 过滤器漏点及其附近位置金相检验结果

2 综合分析

(1)闪蒸罐过滤器试样内表面存在数量较多的凹坑,经检测分析,这些凹坑大部分属于点蚀缺陷。点蚀是局部腐蚀的一种形式,金属表面的杂质相界、不连续缺陷或钝化膜破损等部位都可成为点蚀源,在电解质中,这些部位呈活性状态,相对邻近完好部位的电位为负,两者之间形成局部“微电池”,使阳极金属溶解,形成点蚀源[8-10]。

(2)漏点位于过滤器出口段的中部位置,该部位的内壁除包含点蚀缺陷外,还有一定的汽蚀缺陷。汽蚀又称空泡腐蚀或空穴腐蚀,当含有大量气体的液体在一个封闭的管道中流过,且液体的流动速率很大,或者在流体改变方向或改变断面时,将会在器壁和流体间产生大量气泡,气泡不断生成然后爆破,巨大的爆炸力会对器壁的表面造成损伤,形成汽蚀[10-11]。

(3)对点蚀坑处和漏点附近进行金相检验,发现其周围存在裂纹、疏松等铸造缺陷,在腐蚀介质中,这些缺陷部位会形成点蚀源,而腐蚀介质会在铸造缺陷内残留、淤积,破坏基体表面的保护膜,从而进一步在闪蒸罐过滤器的内表面形成点蚀[12-14]。

由于介质中存在一定的气体(CO2、甲烷、H2S等),在闪蒸过程中,这些气体逸出,形成小气泡而产生汽蚀,气泡碰到内表面发生爆破,在内表面的点蚀缺陷处产生变形层和凸棱,随后凸棱断裂而剥落一层,产生了新的金属表面;在腐蚀介质的作用下,表面又被腐蚀,如此反复,凹坑越来越大,越来越深,直至内表面发生穿孔泄漏[15-16]。

(4)过滤器管内液体的正常流向为:液体入口段→封头段→液体出口段。在过滤器内部,液体呈水平走向,然后上行至调节阀,液体垂直向上流动。当管内液体的压力小于其重力时,介质从出口段向封头段流动,产生紊乱和涡流现象,导致管内介质的流速变快,介质中产生大量气泡,进一步增加了出口段点蚀处的汽蚀效应,从而在该处发生穿孔泄漏。

3 结论

(1)该闪蒸罐过滤器材料的化学成分符合GB/T12229—2005的要求;基体金相检验结果为正常铸钢显微组织,但存在聚集分布的非金属夹杂物和疏松缺陷。

(2)该闪蒸罐过滤器内表面存在铸造缺陷,在内部介质的作用下发生点蚀,在介质流动过程中,过滤器出口段点蚀处产生汽蚀,从而引起零件穿孔泄漏。