锅炉减温水管道破裂原因分析及预防
时间：2023-06-08 20:50:21 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
杨 波 刘献良 赖云亭 夏咸喜
（1. 山西鲁能河曲发电有限公司，山西 忻州 036500；
2. 苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）
火电锅炉系统作为最复杂的工业系统，其承受高温高压的管道或部件众多，部件的失效种类和形式也多种多样，其中最为常见的是锅炉“四管”（水冷壁、省煤器、过热器、再热器）失效[1-3]。“四管”失效常发生在锅炉启机或运行期间，会导致机组非停，直接影响电厂的经济效益。但锅炉四管基本均位于炉膛内部，对电站工作人员的人身安全威胁相对较小，而炉外汽水管道的破裂，则会严重威胁到人的生命安全。因此，对炉外管道的破裂失效模式能够准确识别，并形成一定的防范措施，对电厂的经济效益和社会效益具有重大意义。
某600MW燃煤发电机组为凝汽式汽轮发电机组，锅炉型号为HG-2028/17.4-YM7，一次再热、墙式切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。机组运行期间，汽机房A侧过热汽一级减温水母管调节阀后大小头（又称异径管）发生破裂，现场声响巨大，确幸无工作人员在场，未造成人身安全事故。大小头设计材质为20G，运行温度183.5℃，运行压力23MPa，设计壁厚11mm，至管道破裂时，已累计使用时间约10万小时。破裂大小头所在位置结构示意图如图1所示。通过对破裂大小头取样进行理化试验，对大小头的破裂原因进行了分析。
图1 破裂大小头结构及破裂点位置示意图
1.1 宏观检查
图2为破裂大小头整体及纵向剖开后的宏观照片。爆口处有明显的塑性变形，且爆口边缘壁厚减薄严重，实测厚度1.8～2.0mm；
大头端实测壁厚11.2～11.6mm，与设计壁厚11.0mm接近。采用体式显微镜对破口附近内壁观察如图3所示，内壁呈现出密密麻麻的马蹄形小凹坑，未发现点蚀、微裂纹等其它异常。
图2 整体及剖开后内壁宏观形貌
图3 体式显微镜下的内壁形貌（左-10×；
右-50×）
1.2 化学成分分析
表1为破裂大小头取样化学成分分析结果，表中同时列出了采购标准GB 5310-2008对20G钢化学成分要求。结果可见，破裂大小头化学成分满足上述标准要求。
表1 化学成分分析结果及标准要求（w%）
1.3 硬度测试
GB 5310-2008对20G的抗拉强度规定范围为410～550MPa，而未规定其硬度值，但由于大小头尺寸限制未能取拉伸试样，因此仅对大小头取样进行硬度测试，并依据标准GB/T 33362-2016《金属材料 硬度值的换算》，将硬度值换算为抗拉强度值。硬度测试结果及换算的抗拉强度值如表2所示。硬度测试时，分别在靠近爆口附近但未发生明显塑性变形的区域，及远离爆口的大头端分别取样测试。结果可见，由硬度换算的抗拉强度值满足GB 5310-2008标准要求。
表2 硬度测试结果及换算的抗拉强度值
1.4 金相检验
在爆口附近及大头端分别取样进行金相检验，如图4所示。爆口边缘晶粒有轻微的塑性变形，断面呈穿晶断裂，断口附近及大头端显微组织均为铁素体+珠光体，平均晶粒度约7级，为20G正常的显微组织。
图4 不同位置取样的金相组织形貌
1.5 断口微观分析
在大小头破口位置取样，将破口断面置于扫描电子显微镜下观察，其电镜微观形貌（SEM）如图5所示。破口断面微观上呈拉伸韧窝形貌，为典型的韧性撕裂特征。
图5 破口SEM微观形貌
1.6 能谱分析
通过宏观检查可以看出，大小头壁厚出现了明显减薄，且减薄面为内壁面。采用TESCAN VEGA TS5136XM扫描电子显微镜＋EDAX GENESIS2000X-Ray能谱仪对内壁表面进行能谱分析，结果如表3所示。减薄区内壁表面主要元素为Fe和O，且氧含量较低，原子质量比Fe∶O≈4∶1。
表3 破口附近内壁表面能谱分析结果
通过上述理化试验可以看出，大小头金相组织正常，化学成分、力学性能均符合相关标准规定，可排除材料本身的问题。
大小头壁厚出现明显减薄，导致其强度不足是导致大小头发生破裂的直接原因。破口宏观上存在明显的塑性变形，电镜下微观形貌为具有方向性的拉伸韧窝特征，也表明大小头发生破裂为强度不足导致的韧性撕裂。大小头内壁表面呈现为密密麻麻的马蹄形凹坑（或鱼鳞状）形貌，具有碳钢管道流动加速腐蚀的典型特征[4,5]。
流动加速腐蚀（FAC）是在碳钢或低合金钢管道中，由于单相流体或汽液双相流体的流动而引起的一种管壁减薄现象[6]。其发生过程可以简单概述如下：碳钢基体在流体中微量溶解氧的作用下发生氧化腐蚀，生成疏松多孔的Fe3O4氧化膜，由于溶液中存在H+，氧化膜与水溶液接触的部分会发生局部溶解，溶解的Fe2+在扩散驱动力下会逐渐扩散到主体溶液当中，并随溶液流动被带走。Fe2+作为上述化学反应的生成物，随着流体的流动，浓度降低，因此，氧化膜的溶解与生成会持续进行下去，结果就形成了内表面出现马蹄坑状（或鱼鳞坑状）、壁厚发生减薄的现象[7,8]。结合大小头内壁表面减薄区域表面能谱分析结果，表面层化学成分主要为Fe和O元素，且O元素含量较低，原子质量比Fe∶O≈4∶1，表明发生减薄的内壁表面层铁的氧化层很薄，这与FAC的特征符合。由此可以看出，本次大小头内壁发生显著减薄的原因为碳钢管道发生FAC所致。
对于火电锅炉而言，流动加速腐蚀（FAC）通常发生在超/超临界锅炉的给水和疏水系统。预防FAC的发生，应从影响FAC速率的主要因素着手，主要包括材料因素、流体动力学因素和环境因素等[9-12]。
3.1 材料因素
流动加速腐蚀（FAC）主要发生在碳钢管道及合金含量较低的低合金钢管道内，对容易发生FAC的弯头、三通、变径管等流量突变的管件，选用含Cr的低合金钢材料管道，可以在一定程度上减缓FAC的发生。文献[5]指出，当碳钢材料中Cr含量大于0.1%时，能大大降低单相流体的FAC速率；
当Cr含量达到1%时，FAC的速率极低，可以忽略不计。可见，对容易发生FAC的弯头、三通、变径管等流量突变的管件，采用含Cr量大于0.1%的低合金钢替代碳钢管道，可以减缓或抑制FAC的发生。
3.2 流体动力学因素
影响FAC的流体动力学因素包括流体流速、管道粗糙度、管道几何形状等。在低流速和高流速时，管壁减薄的速率与流速成线性关系；
在中等流速时，管壁减薄的速率与流速的立方成线性关系。在同样流体的流速中，管壁粗糙度越大，管壁的FAC速率越高[4]。管道几何形状对FAC也有较大影响。管道中的弯头、三通、阀门、孔口及变径管等流体截面突变的区域，流速加大、紊流加剧，对管道的剥离作用也增大，相对于流体稳定的直管段更容易发生FAC[13,14]。在机组检修过程中，对上述容易出现FAC的部件进行超声波测厚，并将不同时期内的测厚数据进行对比分析，可以计算出该位置FAC的腐蚀速率，结合最后的测厚结果，提前做好对减薄严重部件进行更换的准备。
3.3 环境因素
水溶液的pH值、含氧量、温度、压力都会影响到FAC的速率。当锅炉给水的pH小于某一临界值时，给水中的H+含量显著增加，会加速了Fe3O4保护膜的溶解，FAC速率急剧增大；
给水中氧含量增加时，疏松多孔的Fe3O4保护膜会被氧化为致密的Fe2O3保护膜，FAC速率减小；
FAC通常发生在90～230℃之间，在150～175℃时，FAC的速率达到最大[15]；
在一定的PH、含氧量和温度下，压力增大，FAC的速率增大。FAC速率增大时，给水系统中Fe离子浓度增加，因此可以对系统中Fe离子含量变化进行实时监测，以对系统的FAC的发生速率进行预测。
对于锅炉管道而言，内部介质（溶液）的温度、压力与锅炉设计有关，在温度和压力不变的正常工况下，则主要通过控制溶液的pH值和含氧量来控制FAC的速率。通常采用的方法为，在给水中加氨以提高给水的pH在9.0以上，再向给水中加氧以提高含氧量。全自动加氧处理（Fully Protected Oxygen Treatment，FPOT）技术是目前较为先进的控制给水含氧量的技术[16-19]。FPOT技术通过精准控制加氧量使得加入的氧气仅存在于给水侧，而蒸汽侧无氧，在有效解决给水系统FAC问题的同时，又避免了多余的氧气进入蒸汽侧带来的氧化皮脱落的问题。
通过对破裂大小头取样进行试验分析，得出如下结论：
（1）失效大小头的金相组织正常，化学成分和硬度值均满足相关标准要求，大小头发生失效与材料本身无关；
（2）大小头失效的原因为流动加速腐蚀（FAC）导致壁厚减薄，使得其强度不能满足管道内压力要求，最终导致了其在高温高压下强度不足而破裂。
基于对大小头失效原因的分析，以及对FAC影响因素及预防的分析，建议：
（1）对容易发生FAC的弯头、三通、变径管等流量突变的管件，可采用含Cr量大于0.1%的低合金钢替代碳钢管道，以减缓或抑制FAC的发生；
（2）改善给水品质，对给水的pH值、含氧量、Fe离子等进行实时监测，控制其数值处于正常区间，同时通过Fe离子含量的变化来预测FAC的速率；
（3）每次机组检修时，对弯头、三通、阀门、孔口及变径管等FAC容易发生的部件进行超声波测厚，并将不同时期内的测厚数据进行对比分析，估算FAC的腐蚀速率，结合最后的测厚结果，提前做好对减薄严重部件进行更换的准备。
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