陈建生
中国华电集团望亭发电厂 江苏 苏州 215000
摘要：针对9FA燃机余热锅炉低压省煤器管道多次发生泄露，通过对低压省煤器1泄露位置取样进行外观、金相、垢成分、扫描电镜等综合分析，认定造成低压省煤器的泄露的主要原因为应力腐蚀引起的沿晶开裂，从而导致裂纹不断拓展，最终引发泄漏，进而针对此提出了对策和预防措施。
关键词：9FA燃机 余热锅炉 应力腐蚀 S元素
1、前言
长期以来，燃煤发电是我国电力行业的主导，但燃煤电厂发电存在严重的污染排放（SOx、NOx）的问题；随着太阳能、风电等新能源发电占比不断提高、国民经济结构的变化和生活用电的迅速增长，电网的日峰谷差不断增大，而燃气-蒸汽联合循环电站由于热效率高、环境污染小、调峰性能好等特点，近年来得到广泛的推广应用。在此背景下国内大量9F燃气—蒸汽联合循环发电机组建设投产、运行。国内某厂9FA燃机余热锅炉自2003投产后，多次发生低压省煤器泄露情况，严重影响机组安全、经济运行。因此，亟需对省煤器管泄露原因进行分析，进而采取措施，防止泄露范围进一步扩大。
2、概况
某厂2#余热锅炉采用杭州锅炉厂的NG-901FA-R型三压(汽水系统有低压、中压、高压三个系统组成)、再热、卧式、无补燃、自然循环的余热锅炉，锅炉主要适用于以天然气为设计燃料的燃气轮机，它与STAG109FA型燃气轮机相匹配，是燃气一蒸汽联合循环电站的主机之一。锅炉受热面采用N/E标准模块设计，共有六个模块，由垂直布置的顺列螺旋鳍片管和进出口联箱组成，以获得最佳的传热效果和最低的烟气压降。燃机排出的高温烟气(603"C)通过进口烟道进入锅炉本体，依次水平横向冲刷各受热面模块，再经出口烟道由烟尘排出[1]。其中，低压省煤器布置在余热锅炉第六模块，此时烟气温度约为159℃，低压省煤器1工质出口温度107.2℃，出口压力0.6MPa，低压省煤器2工质出口温度143.9℃，出口压力0..36MPa。低压省煤器2管径φ50.8*2.67mm，管子材料为SA210-A-1, 管子外缠绕开齿鳍片，鳍片材质为SA-210-C。给水加热器1管径φ44. 45*2.67mm，材质为SA210-A-1，管子外缠绕开齿鳍片，鳍片材质SA-210-C。此次泄露位置为低压省煤器1炉右向左28-1根。
3、泄露原因分析
3.1宏观分析
泄漏处有两处开裂，内 外壁开裂形貌见图1，开裂沿着管道横向，均处于翅片中间位置，贯穿内外壁而发生泄漏，内壁存在腐蚀现象，管道无胀粗与变形特征。
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3.2 金相分析
在来样的两个开裂位置取样，经磨样、抛光、浸蚀后观察形貌，金相照片见图2-图5。
两条开裂均为由外壁向内壁扩展，初始开裂位置可见大量树枝状微裂纹，见图2、图3。开裂为沿晶形貌，从两道裂纹在从外壁向内壁拓展过程中均发生分叉，图2中裂纹分叉方向仅少量微裂纹，尚未完全拓展，图3中裂纹在分叉位置继续拓展至贯穿内外壁，造成泄漏。
对外壁进行检查，结果见图4，发现外壁有多条微裂纹（A、B、C），均位于翅片间或靠近翅片的空槽处，其中图4（C）裂纹深度为865.0μm，均为沿晶开裂，接近垂直于外壁方向向内壁拓展。对内壁进行检查，内壁有较多腐蚀坑，最深处约300μm，母材组织为铁素体+珠光体，见图5。
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3.3 扫描电镜分析
在来样的裂纹处取样，并在裂纹上进行能谱分析，测试结果见图6。其中，Fe、O、Mn为基体中原有元素以及形成的氧化物，C、Si为尾部烟道中煤粉与灰渣的外壁渗入，Cl、S为主要腐蚀元素，主要来源于流动烟气中的煤粉与飞灰，应为该处的腐蚀来源。
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在裂纹区域进行S元素的线扫描，扫描结果见图7。S元素在裂纹处存在异常聚集，该处S元素质量分数达10%以上，由于裂纹由外壁向内壁扩展，低压省煤器主要外部介质的是尾部烟道中的烟气，烟气中的S元素会以SO2、SO3以及H2S等形式与省煤器外壁的氧化物等互相反应，生成SO42-、SO32-、S2- 等硫化物离子，这类离子具有较强的腐蚀性。
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3.4 内壁垢成分分析
在内壁提取垢样进行垢成分分析，分析结果见下表，主要为Fe的氧化物，以及少量的Si、Al氧化物。
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4.综合分析
4.1应力分析
裂纹为沿晶形貌，为应力腐蚀造成的沿晶开裂，裂纹不断拓展，最终引发泄漏。开裂处取样裂纹沿着外壁向内壁扩展，故而引起开裂的应力应为管道受到的轴向弯曲应力。来样管子位于烟道尾部靠近烟囱入口处，烟气流向变化大，烟气流速分布不均匀，易导致管子振动和不同区域管子形成局部金属温度差异，如不同管间温度偏差以及迎烟侧和背烟侧管子温度偏差等；再加上该处管子靠近烟囱入口，停机后烟囱上雨水下落等也易导致局部金属温度变化较快。管子振动和温度变化导致管子形成轴向弯曲交变应力。综合分析认为，烟道形状突变、烟气流场变化导致的管子振动及膨胀差异为管子轴向弯曲应力的主要来源。
4.2腐蚀因素
内壁无明显开裂且垢样分析无异常，说明内壁对该开裂无明显关联。微观裂纹与两条开裂均处于外壁翅片间的空槽处，翅片下区域未发现裂纹，说明管道外烟气是引起开裂的主要腐蚀来源，线扫描显示S元素在裂纹处存在异常聚集，该处S元素质量分数达10% 以上，由于裂纹由外壁向内壁扩展，低压省煤器主要外部介质的是尾部烟道中的烟气，烟气中的S元素会以SO2、SO3以及H2S等形式与省煤器外壁的氧化物等互相反应，生成SO42-、SO32-、S2-等硫化物离子，这类离子具有较强的腐蚀性，为外壁应力腐蚀提供了腐蚀环境[2]。此外，低压省煤器的翅片间易于形成烟气颗粒的聚合与堆积，该处为收口处存在雨水渗漏情况，这都加速了腐蚀进程。
综合以上分析，虽然该处S元素较高，但其腐蚀形貌不符合低温腐蚀的溃散式腐蚀特征，判断应力腐蚀是该处开裂产生的主要原因。S元素相关离子构成了腐蚀介质；烟道形状突变、烟气流场变化导致的管子振动及膨胀差异引起的交变弯曲应力是应力腐蚀失效的应力来源。在交变弯曲应力的作用下，鳍片间隙处的金属氧化垢层首先开裂破损，有利于局部选择性腐蚀的发生，裂隙的产生又为腐蚀介质的进一步深入提供了通道，腐蚀与应力疲劳交互影响伴随着裂纹的发展，最终造成发生管子环向开裂泄漏。
5.结论与建议
失效模式为开裂，失效机理为应力腐蚀，失效原因为烟道形状突变、烟气流场变化导致鳍片管振动及膨胀差异引起的轴向弯曲交变疲劳与鳍片间隙易产生腐蚀介质聚积共同促进的应力腐蚀失效。综上所述，可以采取以下措施：
（1）建议提升烟道尾部鳍片管材质，使用强度与耐腐蚀性更高的钢种，也可以同时考虑合理增加鳍片管壁厚。
（2）建议关注燃料及烟气S含量的监测分析，加强启停机管理以及停机后烟囱防雨挡板的检查维护。
（3）检修期间可利用喷砂和渗透原理对位于烟道尾部的鳍片管间隙部位进行检查，如发现存在裂纹可疑，应做进一步检查或割管验证。
参考文献
[1].何晓东,薛以泰.9FA级燃气轮机余热锅炉设计与现状[J]. 燃机轮机发电技术, 2005, 7(3/4):311-318.
[2].张基标,郝卫,赵之军等.锅炉烟气低温硫腐蚀的理论研究和工程实践[J]. 动力工程学报, 2011, 31(10):730-733.
作者简介：陈建生 男，（1991-），江苏泗洪人，中国华电集团望亭发电厂锅炉检修技术员，本科，助理工程师，主要从事锅炉本体检修工作。