分享：低温省煤器 ND钢大面积腐蚀原因
摘 要:某电厂低温省煤器 ND钢发生大面积腐蚀,采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、硬 度测试、扫描电镜分析、X射线衍射分析、离子色谱分析等方法研究腐蚀原因。结果表明:试样的化 学成分、显微组织、显微硬度等均符合标准要求;泄漏的水溶解了烟气中的硫化物,形成酸性溶液并 吸附到管子外表面,溶解的F- 、Cl- 和SO2- 4 破坏了 ND钢管壁表面的保护膜,导致低温省煤器发 生大面积腐蚀。最后提出了改进建议,以避免低温省煤器 ND钢发生大范围腐蚀。
关键词:低温省煤器;ND钢;腐蚀
中图分类号:TG142.3;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)08-0047-04
低温省煤器利用烟气余热加热机组凝结水,起 到降低锅炉排烟温度的作用[1]。低温省煤器可显著 提高机组热效率,节能、节水效果显著。目前,国内 已有多家电厂进行了低温省煤器的安装和改造。
针对低温省煤器的安装位置、设计优化和动态 特性等已有大量研究[2-3]。低温省煤器虽然提高了 电站设备的热效率,但是增加了电站系统的复杂性, 导致电站设备的失效事故发生率提高,给机组的运 行带来安全隐患。
低温省煤器常规的失效模式有两种。一种是飞 灰磨损[4],即尾部烟道中的灰粒和烟气会冲刷并撞 击低温省煤器管外壁,剥离管子外壁的氧化膜和金 属基体,导致管子外壁损伤减薄。研究表明,飞灰磨 损的程度与管子的布置、飞灰的流速、飞灰流向与管 壁的相对角度、管子的材料和工艺状态等均有关。 改善低温省煤器区域的烟气流通均匀性可减轻飞灰 磨损的程度。低温省煤器的第二种常见失效模式是 低温腐蚀(露点腐蚀)[5],燃料燃烧后,当管子外壁温 度低于硫酸蒸汽的露点温度时,硫酸根离子与水蒸 气会在管子外壁凝结,形成附着在管子外壁的酸液, 破坏管子外壁的氧化膜,腐蚀管子外壁。选用耐酸 腐蚀能力强的材料(如 ND 钢、316L 不锈钢、2205 双相不锈钢等),可减轻低温省煤器管的露点腐蚀程度。
ND钢广泛应用于电站的低温省煤器中,由于 ND钢的耐硫酸腐蚀能力强,因此 ND钢设备大面 积腐蚀的现象少有发生。
某电厂低温省煤器发生泄漏,该低温省煤器投 入运行4a,管子规格为38mm×4.5mm(外径×壁 厚),低温段管和翅片材料均为 ND钢,其余部位为 20G钢。给水温度为 61~91℃,出口水温度为 83~105℃;烟气进口温度为126~156 ℃,烟气出 口温度为92~118℃。
度为92~118℃。 笔者采用一系列理化检验方法分析了该低温省 煤器管发生大面积腐蚀的原因,并提出相应的防范 措施和改进建议,为低温省煤器的科学、合理运行提 供数据支撑。
1 理化检验
1.1 宏观观察
低温省煤器样管宏观形貌如图1所示。该低温 省煤器管子及鳍片表面均发生严重腐蚀,腐蚀产物 呈黑褐色和黄色,鳍片间积灰较厚。在光管部位割 取一段样管,可见钢管外壁严重减薄。管子设计壁 厚为4.5mm,减薄严重区域壁厚仅为1.2mm。
1.2 化学成分分析
钢管设计材料为 ND钢,从样管截面中取样并 进行化学成分分析,其中用红外碳硫分析仪测量C、 S元素,用电感耦合原子发射光谱仪测量其他元素, 结果如表1所示,由表1可知,试样的化学成分均符合GB/T150.2—2011《压力容器 第2部分:材料》 的要求。
1.3 金相检验
从管子减薄处与未减薄处各取一个试样(编号 为1# 和2# ),置于光学显微镜下观察,结果如图2 所示,由图2可知:试样显微组织为铁素体+珠光 体,管子内壁附近带状组织明显;腐蚀坑内有腐蚀产 物,腐蚀坑附近显微组织无明显脱碳特征。
1.4 硬度测试
使用维氏硬度计测试试样的横截面硬度,载荷 为294.2N,保载时间为15s,在管壁界面中间部位 取3个位置。得到的维氏硬度平均值分别为146, 146,147HV。相关标准中未对 ND钢的硬度做出 规定,仅对其室温拉伸性能有规定,其室温抗拉强度为390 MPa~550 MPa。依据标准 DIN50150— 2000《金属材料的试验 硬度值换算》中关于常见钢 材抗拉强度与材料维氏硬度的关系,推算 ND钢的 硬度为122~172HV,可见管子试样的硬度较均 匀,未见明显差异。
1.5 扫描电镜(SEM)分析
采用扫描电镜对试样横截面进行观察,结果如 图3所示,管子外壁氧化膜不连续,部分区域氧化膜 已经脱落,无氧化膜覆盖,氧化膜与基体之间有缝 隙,说明氧化膜未对基体起到很好的保护作用。
管子外壁存在两种不同颜色的附着物,一种是 在外壁分布的红褐色物质,另一种是包裹着红褐色 物质的黄白色物质,两层物质均较疏松。
1.6 X射线衍射(XRD)分析
为进一步确定红褐色和黄白色物质的组成,将该红色物质和黄白色物质磨成粉末,采用 X射线衍 射分析仪得到其晶体的特征衍射峰(见图4)。采用 软件将粉末试样的 XRD 谱图与标准谱图进行比 对。由图4可知:红褐色物质主要成分为Fe2O3,黄 白色物质主要成分为 Al6Si2O13(莫来石)和SiO2, 其他物质含量较少,在 XRD谱图中无法检测到其 衍射峰。
1.7 试样表面沉积物水溶性分析
图5 各垢样在低温省煤器上的取样位置 对试样不同部位的沉积物进行了水溶性分析, 取样位置如图5所示。1号试样最外层沉积物呈暗 红色;2号试样为管子外壁的红色沉积物,位置与1 号试样相同;3号试样为管子和鳍片最外层沉积物, 呈灰色;4号试样为翅片表面腐蚀产物,呈黑色。根 据DL/T954—2005《火力发电厂水汽试验方法 痕 量氟离子、乙酸根离子、甲酸根离子、氯离子、亚硝酸 根离子、硝酸根离子、磷酸根离子和硫酸根离子的测 定———离子色谱法》,用离子色谱仪对试样进行水溶 性分析,结果如表2所示,结果显示这几种试样均含有硫酸根离子、氯离子和氟离子。
1.8 煤质分析
为进一步确定硫酸根离子的来源,对电厂的实际 煤质进行分析,并与设计煤质进行对比,结果如表3所 示,由表3可知:实际煤质的灰分和硫含量显著高于设 计煤质,说明沉积物中的硫酸根离子主要来源于燃煤。
2 综合分析
当 ND钢处于腐蚀环境时,其表面极易形成一 层薄的 致 密 保 护 膜,可 有 效 减 缓 硫 酸 的 腐 蚀 速 率[6-9]。因此,ND钢无缝钢管已被广泛用于生产制 造某种高含硫的省煤器、热交换器、空气预热器,以 及蒸发器等设备中[10],目的是用来抵御某种含硫烟 气露点的腐蚀。
管样表面保护膜并不连续,与母材基体结合不 牢固,部分区域发生氧化膜剥落,并未对母材起到良 好保护作用。说明 ND钢表面保护膜在服役过程中 遭到破坏。由表2中对不同部位的沉积物水溶性分 析结果可知,靠近管壁的内层沉积物中硫酸根离子 含量较高,并含有少量卤族元素阴离子(F- ,Cl- )。 研究表明,硫酸根离子、卤族元素阴离子来源于锅炉 烟气[11]。硫酸根离子、F- 、Cl- 均可破坏 ND 钢表 面的保护膜。
ND钢管的腐蚀过程如图6所示。ND钢管表 面有一层致密保护膜;低温省煤器泄漏,导致烟气湿 度、黏度增加,飞灰沉积到管壁上,喷出的水对烟气 中的杂质(如硫的氧化物、氮的氧化物、氯化物等)溶 解性较强,相当于发挥了洗烟气的作用。烟气中的 硫氧化物和卤族元素溶解在水滴中后,形成硫酸或 亚硫酸溶液及卤族阴离子,并与烟灰共同沉积到管 子外表面,形成垢层。酸性条件促进卤素阴离子破 坏氧化物保护膜,使金属基体失去保护。失去保护 膜的金属基体发生腐蚀。以上过程持续发展,最终 导致低温省煤器发生大范围严重腐蚀。
3 结论与建议
(1)ND钢管试样的化学成分、显微组织、硬度 等符合标准要求。
(2)试样腐蚀减薄的原因为:某些位置发生泄 漏后,未及时进行停机处理,泄漏的水溶解了烟气中 的腐蚀性物质,沉积到管子外表面,溶解的F- 、Cl和SO4 破坏了管壁表面的保护膜,致使设备发生大 面积腐蚀。
(3)ND钢制低温省煤器在潮湿的炉烟环境中 的抗腐蚀能力不强。
(4)建议使用单位在低温省煤器发生泄漏后尽 快进行停机处理,避免发生大范围腐蚀现象。
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