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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
發(fā)布時間：2018-09-28 來源：容大檢測 瀏覽量：3328次
導讀：
燃氣機組的余熱鍋爐是利用燃氣輪機排氣的熱量產(chǎn)生蒸汽的裝置，主要采用對流換熱的方法，其受熱面采用的是模塊化結構，具有熱效率高、成本低并且安裝簡便等優(yōu)點。
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，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)生在機組停備階段，新建機組和運行機組對其重視程度往往不夠，此外如果在運輸、保存等過程中保護不當也會引起氧腐蝕，且不易被檢查發(fā)現(xiàn)，因而會帶來很大的安全隱患。
某廠2臺臥式余熱鍋爐在機組調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)受熱面模塊底部有滴水現(xiàn)象，從整體啟動至發(fā)現(xiàn)泄漏停機共計13天（d），滿負荷運行時間僅為10h。停機后檢查發(fā)現(xiàn)部分管子內(nèi)發(fā)生嚴重腐蝕，如圖1和圖2所示。
圖1 1號爐嚴重腐蝕管段內(nèi)壁宏觀形貌
圖2 2號爐嚴重腐蝕管段內(nèi)壁宏觀形貌
經(jīng)統(tǒng)計2臺余熱鍋爐的受熱面管子共計5130根，發(fā)生泄漏的管子有24根，內(nèi)壁嚴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，對其進行了檢驗和分析，并提出了預防措施。
理化檢驗
對泄漏模塊進行取樣，內(nèi)壁嚴重腐蝕管7根，標記為A組；內(nèi)壁無明顯腐蝕管10根，標記為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，標記為C組。每組中的試樣隨機編號為1，2，3……以此類推，如A1，A2，B1等。
1宏觀觀察
對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％（體積分數(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％稀鹽酸溶液進行浸泡靜置10h，然后使用酒精進行清洗，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化學成分分析
表1 A2試樣化學成分（質(zhì)量分數(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力學性能測試
表2 C1和C2管子力學性能測試結果
由表2可知：原始管樣C1和C2力學性能指標全部符合要求。
4金相檢驗
對試樣A3，B3，C3縱剖面進行預磨、拋光，根據(jù)GB/T 10561－2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定———標準評級圖顯微檢驗法》對試樣的非金屬夾雜物含量進行評價，3個試樣均含有D類夾雜物，級別分別為D1，D1.5，D1，夾雜物含量較低。
使用4％（體積分數(shù)）硝酸酒精溶液對試樣A3，B3，C3進行侵蝕后，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A1，A4，A5，A6，A7，B4，B5，B6，C4，C5共10個試樣進行能譜分析，測試點共計129個，部分典型測試結果見表3。
表3 部分試樣能譜分析典型結果（質(zhì)量分數(shù)）
其中譜圖3、譜圖58和譜圖65為基體化學成分測試結果，可見基體化學成分正常。
對試樣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分析結果與EDS分析結果具有一致性，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成分、力學性能以及顯微組織均正常，能夠滿足相關標準要求。
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，對腐蝕產(chǎn)物進行EDS和XRD分析，結果表明兩種腐蝕產(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為管內(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，這是因為氧腐蝕是一個逐漸進行的過程，在腐蝕最初階段腐蝕產(chǎn)物并不會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，只有發(fā)展到一定程度后才會逐漸發(fā)生分層。
由此可推斷管子發(fā)生腐蝕的時間可能是在管子加工存放、運輸保存或安裝調(diào)試期間。
在安裝調(diào)試期間管內(nèi)會接觸到介質(zhì)的環(huán)節(jié)主要有水壓試驗、化學清洗和試運行。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、化學清洗和試運行對管子造成影響，應該是大面積的、普遍性的，而不會只作用于某幾根管子內(nèi)。因此，水壓、酸洗和試運行并不是引起本次泄漏和腐蝕的主要因素。
另外，電廠建設進度資料表明，受熱面管從到達電廠到開始吊裝之間的時間不足30d，這樣短的時間內(nèi)不足以產(chǎn)生嚴重的腐蝕，氧腐蝕應該在達到電廠之前就已經(jīng)發(fā)生。
結論與建議
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，嚴重部位發(fā)生穿孔泄漏。泄漏的受熱面管隨機分布，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管子是否存在腐蝕的情況下，建議對相同規(guī)格的受熱面模塊進行整體更換，避免運行中陸續(xù)出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，影響機組的正常運行。
后續(xù)跟蹤顯示，該電廠整體更換了2臺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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