失效分析现场直击——余热锅炉受热面管腐蚀泄漏分析

2018-09-27 11:19:47 作者：王智春来源：理化检验—物理分册分享至：

燃气机组的余热锅炉是利用燃气轮机排气的热量产生蒸汽的装置，主要采用对流换热的方法，其受热面采用的是模块化结构，具有热效率高、成本低并且安装简便等优点。

但是，余热锅炉受热面管的腐蚀问题一直以来都是研究的热点，较常出现的问题有管子外壁低温腐蚀、内壁流体加速腐蚀、氧腐蚀等。受热面管氧腐蚀通常发生在机组停备阶段，新建机组和运行机组对其重视程度往往不够，此外如果在运输、保存等过程中保护不当也会引起氧腐蚀，且不易被检查发现，因而会带来很大的安全隐患。

某厂2台卧式余热锅炉在机组调试期间发现受热面模块底部有滴水现象，从整体启动至发现泄漏停机共计13天（d），满负荷运行时间仅为10h。停机后检查发现部分管子内发生严重腐蚀，如图1和图2所示。

图1 1号炉严重腐蚀管段内壁宏观形貌

图2 2号炉严重腐蚀管段内壁宏观形貌

经统计2台余热锅炉的受热面管子共计5130根，发生泄漏的管子有24根，内壁严重腐蚀但未泄漏的管子约150根。为了查明此次余热锅炉受热面管泄漏的原因，对其进行了检验和分析，并提出了预防措施。

理化检验

对泄漏模块进行取样，内壁严重腐蚀管7根，标记为A组；内壁无明显腐蚀管10根，标记为B组；与发生泄漏管段相同规格、相同材料、相同生产厂家的原始管2根，标记为C组。每组中的试样随机编号为1，2，3……以此类推，如A1，A2，B1等。

1宏观观察

对A，B，C3组试样分别沿管子长度方向纵剖后取长度约60mm的试样观察内壁。A组试样内壁表面颜色呈红褐色或者黑褐色，具有附着物，其量多且厚，质地坚硬，经敲打后也不易脱落，附着物呈块状、鼓包状或溃疡状，如图3所示。

图3 A组试样内壁宏观形貌

选试样A1用5％（体积分数，下同）稀盐酸溶液在常温条件下分别浸泡静置5，40，48h后的形貌如图4所示，可见腐蚀产物剥落后内壁存在盆状、半球状的凹坑，直径为1~6mm，深度为0.5~2mm。

图4 A1试样内壁经过酸液浸泡不同时间后的宏观形貌

B组管样内壁未见明显腐蚀，内壁附着物较薄且质地疏松，呈黑色或黑褐色。选试样B1在常温条件下使用5％稀盐酸溶液进行浸泡静置10h，然后使用酒精进行清洗，观察可见内壁平整无凹坑，如图5所示。

图5 B1试样内壁宏观形貌

C组试样内壁无腐蚀产物或垢层。

2化学成分分析

表1 A2试样化学成分（质量分数）

由表1可知，所有元素的含量均符合ASME SA—210/SA—210M－2013《锅炉和过热器用无缝中碳钢管子》的要求。

3力学性能测试

表2 C1和C2管子力学性能测试结果

由表2可知：原始管样C1和C2力学性能指标全部符合要求。

4金相检验

对试样A3，B3，C3纵剖面进行预磨、抛光，根据GB/T 10561－2005《钢中非金属夹杂物含量的测定———标准评级图显微检验法》对试样的非金属夹杂物含量进行评价，3个试样均含有D类夹杂物，级别分别为D1，D1.5，D1，夹杂物含量较低。

使用4％（体积分数）硝酸酒精溶液对试样A3，B3，C3进行侵蚀后，观察显微组织，如图6~9所示。A3试样经酸洗后腐蚀坑处的显微组织形貌如图6所示，最薄区域壁厚仅仅只余609μm；基体显微组织为铁素体＋珠光体，如图7所示，内外壁未见脱碳层。B3试样内壁未见明显腐蚀坑，C3内壁无腐蚀痕迹，B3和C3试样基体显微组织均为铁素体＋珠光体，内外壁未见脱碳层，如图8和图9所示。

图6 A3试样腐蚀坑处显微组织形貌

图7 A3试样基体显微组织形貌

图8 B3试样内壁显微组织形貌

图9 C3试样内壁显微组织形貌

5扫描电镜及能谱分析

对A1，A4，A5，A6，A7，B4，B5，B6，C4，C5共10个试样进行能谱分析，测试点共计129个，部分典型测试结果见表3。

表3 部分试样能谱分析典型结果（质量分数）

其中谱图3、谱图58和谱图65为基体化学成分测试结果，可见基体化学成分正常。

对试样A4内壁腐蚀产物逐层分析，测试位置如图10所示，典型测试结果为谱图4、谱图6、谱图7、谱图11和谱图12，不同层的腐蚀产物主要元素为铁和氧，且铁元素和氧元素的原子比大致接近2/3或3/4。

图10 A4试样纵剖面能谱分析位置

6XRD分析

从A5，A6，A7试样内壁刮取粉末并进行物相分析，典型谱图如图11和图12所示。

图11 A6试样XRD谱

图12 A7试样XRD谱可知XRD分析结果与EDS分析结果具有一致性，内壁附着物均为铁的氧化产物，其中A5和A7试样为Fe2O3，A6试样为Fe3O4。

分析与讨论

发生泄漏及同批次管子材料化学成分、力学性能以及显微组织均正常，能够满足相关标准要求。

泄漏管子内壁具有较多的腐蚀产物，呈红褐色或者黑褐色，腐蚀产物呈鼓包状、块状、溃疡状，去除后可见内壁存在凹坑，具有碳钢氧腐蚀的典型宏观特征。

腐蚀产物表层呈现红色，内部则呈现黑色，对腐蚀产物进行EDS和XRD分析，结果表明两种腐蚀产物均为铁的氧化物，红色产物为Fe2O3，黑色产物为Fe3O4，是氧腐蚀的特征产物。

腐蚀产物的组成以及腐蚀坑的形貌均说明了管段失效原因为管内壁发生了局部氧腐蚀，发生腐蚀的部位变薄形成凹坑，严重部位穿孔泄漏。

泄漏管子内部腐蚀产物量多而厚，且有明显的分层现象，这是因为氧腐蚀是一个逐渐进行的过程，在腐蚀最初阶段腐蚀产物并不会出现分层现象，只有发展到一定程度后才会逐渐发生分层。

由此可推断管子发生腐蚀的时间可能是在管子加工存放、运输保存或安装调试期间。

在安装调试期间管内会接触到介质的环节主要有水压试验、化学清洗和试运行。但是发生氧腐蚀的管子约占总数的3.4％，泄漏管分布无规律，并不集中出现在某一屏或某一模块。如果水压试验、化学清洗和试运行对管子造成影响，应该是大面积的、普遍性的，而不会只作用于某几根管子内。因此，水压、酸洗和试运行并不是引起本次泄漏和腐蚀的主要因素。

另外，电厂建设进度资料表明，受热面管从到达电厂到开始吊装之间的时间不足30d，这样短的时间内不足以产生严重的腐蚀，氧腐蚀应该在达到电厂之前就已经发生。

结论与建议

发生泄漏管子的内壁具有较多的腐蚀产物，经分析为铁的氧化物。腐蚀产物的组成以及腐蚀坑的形貌均说明管子内壁发生了局部的氧腐蚀，腐蚀部位变薄形成凹坑，严重部位发生穿孔泄漏。泄漏的受热面管随机分布，即使相邻管子的腐蚀程度也存在很大差异，无规律性。

因此在无有效检测手段用以确认管子是否存在腐蚀的情况下，建议对相同规格的受热面模块进行整体更换，避免运行中陆续出现泄漏现象，影响机组的正常运行。

后续跟踪显示，该电厂整体更换了2台余热锅炉的全部受热面模块后，至今未再发生同类事故。

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责任编辑：韩鑫

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