氫損傷原因分析

1、鍋爐水冷壁氫損傷原因分析2014年5月摘 要 對(duì)鍋爐水冷壁氫損傷原因進(jìn)行了分析。根據(jù)分析檢測(cè)結(jié)果，爐水pH超標(biāo)和結(jié)垢嚴(yán)重是造成水冷壁管氫損傷的主要原因。爐水pH超標(biāo)和水冷壁結(jié)垢嚴(yán)重均與爐水硬度超標(biāo)有關(guān)。建議徹底查清造成硬度超標(biāo)的原因，并采取措施予以消除，確保爐水中無(wú)硬度；建議高度重視電廠化學(xué)監(jiān)督工作，配置必要的在線和臺(tái)式監(jiān)測(cè)儀表。此外，凝汽器銅管腐蝕和結(jié)垢較為嚴(yán)重，建議加強(qiáng)化學(xué)監(jiān)督，有條件時(shí)更換為316L不銹鋼管。關(guān)鍵詞 水冷壁 爆管 結(jié)垢 pH目 次1前言42水冷壁管樣垢樣垢量分析43水汽監(jiān)督檢查94凝汽器銅管監(jiān)督檢查115原因分析116結(jié)論與建議12II1 前言裝機(jī)容量為2臺(tái)50WM高溫高

2、壓凝汽式機(jī)組。鍋爐為杭州鍋爐廠生產(chǎn)，額定蒸發(fā)量為220t/h，壓力為9.81Mpa,過(guò)熱蒸汽溫度為540；鍋爐水冷壁為膜式水冷壁，材質(zhì)為20G，外徑及壁厚為60×5mm。汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)由北京重型電機(jī)廠生產(chǎn)，汽輪機(jī)為沖動(dòng)式，發(fā)電機(jī)為雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)。鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)采用過(guò)濾器反滲透一級(jí)除鹽混床。2014年1月份以后，2號(hào)鍋爐水冷壁管接連發(fā)生4次爆管現(xiàn)象，爆管部位均為爐膛后墻冷灰斗折角處。經(jīng)西安熱工研究院對(duì)2號(hào)鍋爐后墻水冷壁爆管管樣進(jìn)行失效分析，確定為氫損傷。為查明氫損傷原因，委托對(duì)氫損傷原因進(jìn)行分析，并對(duì)水汽系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督檢查。2 水冷壁管樣垢樣垢量分析2.1水冷壁爆管管樣從現(xiàn)場(chǎng)取回一根

3、爆管的管樣，在爆管內(nèi)壁提取垢樣，進(jìn)行垢樣分析，管樣詳見(jiàn)圖1。圖1：爆管管樣2.2爆管管樣垢樣分析結(jié)果表1 爆管管樣垢樣分析結(jié)果樣品名稱元素分析物相分析元素名稱質(zhì)量百分比含量，% 垢樣Fe55.26主要成分是：Fe2O3：約44.0%；Fe3O4：約45.0%；Ca5(PO4)3F：約6.0%；Cu2O：約4.0%；未檢出：約1.0%；其余物相微量Ca4.39Si3.25Cu2.58P2.32Zn1.22Al0.62S0.37Mn0.28Cr0.14Sr0.14Ti0.12K0.10Pb0.09O29.132.3爆管管樣垢樣檢測(cè)衍射圖圖2 爆管管樣垢樣檢測(cè)衍射圖從分析結(jié)果可見(jiàn)，垢樣主要成分為鐵的

4、氧化物，且含有少量的銅氧化物和磷酸鹽。2.4送檢管樣垢樣分析結(jié)果表2 送檢管樣垢樣分析結(jié)果樣品名稱元素分析物相分析元素名稱質(zhì)量百分比含量，% 垢樣Fe43.23主要成分是：Fe2O3：約53.0%；Fe3O4：約18.0%；Cu： 約25.0%；Cu2O：約2.0%；未檢出：約2.0%；其余物相微量Cu20.51Mg1.32Zn1.09Ca0.76Si0.65Al0.61P0.47S0.34Mn0.24O30.192.5送檢管樣垢樣檢測(cè)衍射圖圖3 送樣管管樣垢樣檢測(cè)衍射圖由2.4和2.5分析結(jié)果可見(jiàn)，送檢管樣中，含有大量的銅。銅的出現(xiàn)與凝汽器銅管腐蝕有關(guān)。不僅如此，送樣管與爆管部位垢樣不同的另

5、一點(diǎn)是，送樣管中沒(méi)有磷酸鹽。說(shuō)明，磷酸鹽在水冷壁的沉積是不均勻的。2.6爆管管樣垢量分析試片在爆管爆口附近加工管樣進(jìn)行垢量分析，垢量分析試片詳見(jiàn)下圖。圖4：水冷壁管向火側(cè)試片圖5：水冷壁管背火側(cè)試片2.7垢量分析方法和結(jié)果將水冷壁管在車床上切削其外壁，使管樣壁厚為1.0mm左右；截取管段，按分界線將管段切割成向火側(cè)和背火側(cè)兩半。測(cè)量管樣內(nèi)表面積，稱管樣質(zhì)量，然后將管樣浸入加有0.2%0.5%緩蝕劑的5%6%鹽酸溶液中，加熱至60，并用塑料棒攪動(dòng)酸液，直至管樣內(nèi)表面的垢均已清洗干凈為止。記錄清洗時(shí)間，立即將管樣取出，用蒸餾水沖洗，再將管樣放在無(wú)水乙醇中搖晃取出，用濾紙擦凈管樣表面，再用熱風(fēng)吹干，

6、放入干燥器內(nèi)干燥1小時(shí)后稱重，記錄清洗后的質(zhì)量。垢量檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)下表：表3 垢量檢測(cè)結(jié)果試片名稱向火側(cè)左向火側(cè)右背火側(cè)左背火側(cè)右垢量(g/m2)231.94591.3199.81102.652.8試片清洗后的照片圖6：清洗后的水冷壁管背火側(cè)試片圖7：清洗后的水冷壁管向火側(cè)試片 清洗后的照片顯示，水冷壁管在向火側(cè)有顯著的垢下腐蝕產(chǎn)生。垢下腐蝕引起的后果是管壁變薄，機(jī)械強(qiáng)度降低。3 水汽監(jiān)督檢查3.1鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)檢查鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)采用過(guò)濾器反滲透一級(jí)除鹽混床。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)檢查：反滲透出水在線電導(dǎo)率小于10us/cm，陰床出水在線電導(dǎo)率小于0.1us/cm，混床出水在線電導(dǎo)率大于0.2us/c

7、m。由于混床出水電導(dǎo)率超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。為了查明超標(biāo)原因，4月17日我們對(duì)相關(guān)水質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)下表：表4 補(bǔ)給水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果項(xiàng)目結(jié)果1結(jié)果2結(jié)果3陰床出水電導(dǎo)率0.083us/cm0.097us/cm0.071us/cm混床出水電導(dǎo)率0.125us/cm0.115us/cm0.179us/cm0.134us/cm0.192us/cm0.114us/cm從混床電導(dǎo)率檢測(cè)結(jié)果分析，所檢測(cè)的6次指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，在線表計(jì)顯示值超標(biāo)，說(shuō)明在線表計(jì)出現(xiàn)故障，建議對(duì)在線導(dǎo)電度表進(jìn)行檢查維修，必要時(shí)更換。一般混床出水電導(dǎo)率比陰床出水電導(dǎo)率低，但是從檢查結(jié)果分析，混床出水電導(dǎo)率較陰床偏高，建議檢查

8、混床反洗時(shí)的樹(shù)脂分層情況及陰陽(yáng)樹(shù)脂比例；必要時(shí)增減相應(yīng)的樹(shù)脂，確保分層時(shí)的界面與混床中排平齊。3.2爐水水質(zhì)檢查 根據(jù)電廠提供的2014年1月4月的化學(xué)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，爐水pH值有效數(shù)據(jù)總計(jì)443個(gè)，其中pH值大于10.0的數(shù)據(jù)有315個(gè)，pH值在9.010.0的數(shù)據(jù)有75個(gè)，pH值小于9.0的數(shù)據(jù)有53個(gè)。根據(jù)GB/T 121452008火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量中汽包爐爐水pH值的標(biāo)準(zhǔn)要求，爐水pH值合格率僅為16.93%。4月18日，我們對(duì)#1爐爐水水質(zhì)進(jìn)行抽檢，結(jié)果如下：表5 爐水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)項(xiàng)目上午9:20上午10:20上午11:20pH值9.8829.8739.689電導(dǎo)率(

9、us/cm)36.836.133.6從4月18日上午的抽檢結(jié)果分析，所測(cè)pH值滿足標(biāo)準(zhǔn)值9.010.0，電導(dǎo)率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求小于60us/cm的標(biāo)準(zhǔn)值。3.3發(fā)電機(jī)冷卻水水質(zhì)檢查根據(jù)電廠提供的2014年1月4月的化學(xué)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水pH值有效數(shù)據(jù)總計(jì)497個(gè)，其中pH值在7.09.0的數(shù)據(jù)有55個(gè)，pH值小于7.0的數(shù)據(jù)有442個(gè)。根據(jù)GB/T 121452008火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量中水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)的冷卻水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)冷卻水的pH值合格率僅為11.07%。由于水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)冷卻水的pH值長(zhǎng)期不達(dá)標(biāo)，極易對(duì)發(fā)電機(jī)銅線圈產(chǎn)生腐蝕，為了確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，建議定期檢測(cè)銅離子含

10、量，同時(shí)采取加堿處理的工藝，使冷卻水的pH值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水導(dǎo)電度表已壞，建議進(jìn)行檢查維修，必要時(shí)更換。 4月29日，我們對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水導(dǎo)電度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)值為0.783us/cm，檢測(cè)值滿足標(biāo)準(zhǔn)小于等于5us/cm的要求。3.4鍋爐給水水質(zhì)檢查根據(jù)電廠提供的2014年1月4月的化學(xué)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，鍋爐給水pH值有效數(shù)據(jù)總計(jì)505個(gè)；其中pH值在8.89.3的有334個(gè)，pH值小于8.8的有161個(gè)，pH值最小值為7.6；pH值大于9.3的有10個(gè)。根據(jù)GB/T 121452008火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量中鍋爐給水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，鍋爐給水的pH值合格率為66.14%。4月18日，我們對(duì)

11、#1爐給水pH值進(jìn)行抽檢，結(jié)果如下：表6 #1爐給水pH值測(cè)量檢測(cè)項(xiàng)目上午9:20上午10:20上午11:20pH值8.9458.9988.7764月29日，我們對(duì)#1爐給水溶解氧進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)值為18.02g/L，大于標(biāo)準(zhǔn)要求。由于現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有檢測(cè)儀器，建議增加在線檢測(cè)儀表或采取化學(xué)檢測(cè)方法，完善化學(xué)監(jiān)督。同時(shí)建議對(duì)除氧器進(jìn)行檢查維修。3.5凝結(jié)水水質(zhì)檢查根據(jù)電廠提供的2014年1月4月的化學(xué)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，凝結(jié)水硬度的合格率為100%。4月29日，我們對(duì)#1爐凝結(jié)水溶解氧進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)值為42.22g/L，滿足凝結(jié)水溶解氧的標(biāo)準(zhǔn)要求。4 凝汽器銅管監(jiān)督檢查4.1 銅管清洗前后宏觀照片 對(duì)比銅管清洗前

12、后的宏觀照片如圖8所示。 圖8：銅管清洗前后宏觀照片由圖8可見(jiàn)，銅管內(nèi)表面有較為厚的垢層，對(duì)換熱影響嚴(yán)重。清洗后，銅管內(nèi)壁有明顯的大小不等腐蝕坑。4.2 銅管垢量分析測(cè)量未清洗的銅管表面垢層厚度，結(jié)果如下表所示。表6 銅管垢厚數(shù)據(jù)原始管壁厚（mm）壁厚+垢厚（mm）垢厚（mm）1.161.840.681.181.780.601.181.860.681.141.860.721.141.880.74 均值 1.161.86 0.684可見(jiàn)，銅管結(jié)垢厚度較厚，建議采取措施進(jìn)行除垢處理，提高換熱效率。4.3 銅管腐蝕深度分析 圖9：銅管腐蝕深度宏觀照片測(cè)量清洗后銅管腐蝕的深度，結(jié)果如下表所示。表7 銅

13、管點(diǎn)蝕坑深度數(shù)據(jù)點(diǎn)蝕坑編號(hào)原始管壁厚（mm）腐蝕后點(diǎn)蝕坑處壁厚（mm）點(diǎn)蝕坑深度（mm）1#10.580.422#10.360.643#10.480.52平均10.470.53 可見(jiàn)，銅管垢下腐蝕深度較深，存在腐蝕穿孔的風(fēng)險(xiǎn)。建議有條件更換為316L材質(zhì)。5 原因分析5.1  水冷壁管向火側(cè)垢量檢測(cè)值為591.31g/m2，水冷壁管結(jié)垢后使傳熱惡化。在高溫下，垢下的水汽滯留與Fe反應(yīng)生成氫原子，氫從管子內(nèi)表面進(jìn)入鋼中，與碳反應(yīng)生成CH4，造成較大的局部應(yīng)力，就沿晶界生成晶間裂紋，致使金屬的晶粒之間聯(lián)系遭到破壞，強(qiáng)度和塑性降低，在外力作用下沒(méi)有塑性變形能力，成為脆性破壞。裂紋周圍鋼中含

14、碳量并因之減少，形成脫碳層。其化學(xué)反應(yīng)式如下：4H2O+3Fe= Fe3O4+8HFe3C+4H=3Fe+CH4。由于水冷壁管垢量超標(biāo)，建議對(duì)鍋爐進(jìn)行一次化學(xué)清洗，徹底清除爐管內(nèi)的垢層，確保鍋爐受熱面安全運(yùn)行。5.2根據(jù)電廠提供的爐水報(bào)表，爐水pH值有效數(shù)據(jù)總計(jì)443個(gè)，其中pH值大于10.0的數(shù)據(jù)有315個(gè)，占檢測(cè)數(shù)據(jù)的71.1%。pH值過(guò)高的爐水中產(chǎn)生游離的氫氧化鈉，在受熱面的附著垢物下發(fā)生濃縮，可達(dá)很高的濃度，使?fàn)t管表面的保護(hù)膜溶解，這部分鋼與爐水中的游離氫氧化鈉反應(yīng)生成氫和亞鐵酸鈉，后者水解為四氧化三鐵和氫。 其化學(xué)反應(yīng)式如下： 3Fe6NaOH3Na2FeO26H 

15、; 3Na2FeO24 H2OFe3O46 NaOH2H   反應(yīng)初期的腐蝕產(chǎn)物并不是很多，但一旦形成腐蝕產(chǎn)物，因其熱阻較大，必將導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物下局部金屬基體的溫度升高和鹽類濃縮，兩者互相促進(jìn)，使腐蝕加劇，溫度更高。在腐蝕過(guò)程中形成的氫起初會(huì)被水流帶走，當(dāng)腐蝕產(chǎn)物達(dá)到一定厚度時(shí)，氫向水中擴(kuò)散的能力減弱，便開(kāi)始向金屬內(nèi)部滲透，進(jìn)而產(chǎn)生氫腐蝕。建議加強(qiáng)鍋爐的化學(xué)監(jiān)督，保證汽水品質(zhì)，給水水質(zhì)符合規(guī)定要求，除氧器溫度、給水含氧量、含鐵量、硬度、pH值、二氧化硅等指標(biāo)要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，避免爐管內(nèi)部腐蝕結(jié)垢。做好鍋爐停用期間的保養(yǎng)工作，防止鍋爐氧腐蝕。同時(shí)調(diào)整

16、化學(xué)加藥方式，安裝完善化學(xué)運(yùn)行監(jiān)控儀表，培訓(xùn)化學(xué)專業(yè)人員，加強(qiáng)對(duì)化學(xué)運(yùn)行的監(jiān)督管理工作。5.3從爆管管樣取出的垢樣進(jìn)行分析，其主要成分是鐵的氧化物，占總垢樣的89%，說(shuō)明鍋爐內(nèi)壁的氧腐蝕比較嚴(yán)重。4月29日，我們對(duì)#1爐給水溶解氧進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)值為18.02g/L，大于標(biāo)準(zhǔn)要求。由于現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有相應(yīng)的溶解氧檢測(cè)手段，建議增加在線檢測(cè)儀表或采取化學(xué)檢測(cè)方法，完善化學(xué)監(jiān)督。同時(shí)對(duì)除氧器進(jìn)行檢查維修，調(diào)整除氧器的運(yùn)行參數(shù)，確保除氧器的運(yùn)行工況良好。6 結(jié)論與建議6.1 爐水pH超標(biāo)和結(jié)垢嚴(yán)重是造成水冷壁管氫損傷的主要原因。6.2 爐水pH超標(biāo)和水冷壁結(jié)垢嚴(yán)重均與爐水硬度超標(biāo)有關(guān)，建議徹底查清造成硬度超標(biāo)的原因，并采取措施予以消除，確保爐水中無(wú)硬度。此外，溶解氧含量高，也是造成結(jié)垢的主要原因。6.3 建議高度重視電廠化學(xué)監(jiān)督工作，配置必要的在線和臺(tái)式監(jiān)測(cè)儀表。建議配置在線爐水氫電導(dǎo)率、爐水pH、凝結(jié)水氫電導(dǎo)率、凝結(jié)水pH、給水