660 MW超超临界锅炉过热器热腐蚀泄漏原因分析.pdf

150.D0I:10.16056/j.2096-7705.2023.03.024能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)节能技术660MW超超临界锅炉过热器热腐蚀泄漏原因分析黄金妹，熊钟（国家电投集团江西电力有限公司景德镇发电厂，江西景德镇真3 3 3 0 0 0)摘要：为降低6 6 0 MW超超临界锅炉过热器管因热腐蚀原因产生的泄漏次数，保证机组长期稳定运行。针对景德镇电厂锅炉在运行过程中发生过热器区域弯头腐蚀减薄和泄漏现象，利用机组停机时对1号锅炉后屏过热器泄漏管试样进行了宏观外貌检查、化学成分分析、金相分析、能谱和形貌分析、室温拉伸试验等综合试验分析，并根据试验结果进行原因分析及同屏过热器不同管材腐蚀情况对比，有针对地提出相应的防范措施。结果表明，后屏过热器属于热腐蚀泄漏，在采用同行业内通用的运行调整措施，腐蚀现象无明显改善，采用管材升级，将过热器管材由TP347H升级为HR3C后，可避免运行中后屏过热器烟气温度在7 0 0 左右的高温热腐蚀，有效地防止后屏过热器管材腐蚀失效，提高其抗腐蚀性能及使用寿命，达到保证机组长期稳定运行的目的。关键词：超超临界锅炉；过热器；热腐蚀泄漏；材料；抗腐蚀性能中图分类号：TK224.9Analysis on the Causes of Thermal Corrosion Leakage in the Superheater of文献标志码：B660 MW Ultra Supercritical Boiler文章编号：2 0 9 6 7 7 0 5（2 0 2 3）0 3 0 150 0 6HUANG Jinmei,XIONG Zhong(Jingdezhen Power Plant of State Power Investment Group Jiangxi Electric Power Co.,Ltd.,Jingdezhen 333000,Jiangxi,China)Abstract:Reduce the number of leaks caused by thermal corrosion in the superheater tubes of 660 MW ultra supercriticalboilers,ensuring long-term stable operation of the unit.In response to the phenomenon of elbow corrosion,thinning,andleakage in the superheater area of the Jingdezhen Power Plant boiler during operation,a comprehensive experimental analysiswas conducted on the leakage tube sample of the rear screen superheater of boiler 1 during unit shutdown,including macros-copic inspection,chemical composition analysis,metallographic analysis,and energy spectrum analysis.Based on the experi-mental results,the cause analysis was conducted and the corrosion situation of different tubes of the same screen superheaterwas compared,and corresponding preventive measures were proposed accordingly.The results show that the rear screensuperheater belongs to thermal corrosion leakage,and there is no significant improvement in corrosion phenomenon afterusing common operation adjustment measures in the same industry.By upgrading the superheater pipe from TP347H toHR3C,the high-temperature thermal corrosion of the rear screen superheater flue gas temperature around 700 C duringoperation can be avoided,effectively preventing the corrosion failure of the rear screen superheater pipe,improving its corro-sion resistance and service life,To achieve the goal of ensuring long-term stable operation of the unit.Keywords:ultra supercritical boiler;superheater;hot corrosion leakage;material;corrosion resistance收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 4第一作者：黄金妹（19 7 9 一），女，工程师，本科，主要从事火电厂生产管理工作。E-mail：12 6 17 0 46 9 6 q q.c o m引用格式：黄金妹,熊钟.6 6 0 MW超超临界锅炉过热器热腐蚀泄漏原因分析 J.能源研究与管理,2 0 2 3,15(3):150-155.节能技术引言国家电投集团景德镇电厂锅炉是哈尔滨锅炉厂生产的HG-2035/26.15-YM3型6 6 0 MW超超临界直流锅炉，采用I 型布置、单炉膛、墙式切圆燃烧方式、改进型低NOx分级送风燃烧系统，锅炉过热器系统由四级过热器组成，后屏过热器共3 5屏，每屏由19 根“U”型管构成，后屏过热器管材质为Super304H、T P3 47 H 和 HR3C。2017年3 月景德镇电厂#1炉后屏过热器#8 屏（固至扩）5号管（外向内）炉后底部弯头发生爆管，爆漏原因为底部弯头迎烟侧存在严重高温腐蚀，导致管壁厚度减薄，低于最小壁厚后爆管。2 0 18 年#1机组C修检查更换腐蚀超标弯头9 8 根，2 0 19 年#1机组A修检查更换腐蚀超标弯头10 6 根，直管200m。根据各次检修#1炉后屏过热器底部弯头及直管检查的情况，发现每屏第#4-13 管圈高温腐蚀情况均较严重，严重威胁机组安全运行。自2 0 17 年起，在国内同类型机组运行厂家中进行收资调研工作，根据通用经验采取控制入炉煤硫份，运行燃烧调整控制锅炉两侧烟温差及坚持对后屏过热器腐蚀管道“逢停必查”，及时更换腐蚀减薄超标管段等措施 2，但在煤碳市场形式日益严峻，和响应国家电网要求，机组长周期运行，峰谷差和机组变负荷速率不断增大的影响下，未达到调整效果。为保证机组安全、稳定、经济运行，必须有效遏制后屏过热器高温腐蚀现象，提高受热面管可靠性。现有TP347H具有良好的蠕变持久性能、抗高温氧化性能及耐腐蚀性能，但在长期的高温服役之后，晶界会形成贫铬区，材料耐腐蚀性能下降 3 。由于过热器处于锅炉内部的高温烟气区域，在不同运行工况下，过热器管子局部可能超过过热器计算金属温度，材料许用应力下降，腐蚀严重就会引起爆管事故。本文针对机组运行方面无法改善过热器管材工作环境的情况，进行过热器管材分析和不同管材之间的性能比对，查明管材腐蚀失效的原因，提出有效的解决办法，达到保证机组长周期安全、经济运行。1试样管选取截止泄漏停机#1锅炉已累计运行4.3 10 4h，为确定管材质量是否符合设计要求，分析后屏过热器泄漏的失效原因，制定下一步防范措施，需选取泄漏管试样进行宏观外貌检查、化学成分分析、室温能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)拉伸试验、金相分析、能谱和形貌分析等综合试验分析。割取管样1号锅炉后屏过热器第8 屏，由外往内第5根（爆破管）和第6 根（对比管）的炉后底部弯头（材质TP347H，规格51mmx9.5mm)如图1所示，实际运行时间不足8 0 0 0 h。1-6垂直段2-28-6汽流方向汽流方向2-1水平段1-3（裂纹）1-4（尖1-1(a)管样相对位置示意图注:1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、2-1、2-2 为试样裂口编号图1管样相对位置及取样位置示意图Fig.1 Schematic diagram of relative position and samplingposition of pipe samples2试样管检查及分析2.1宏观形貌检查通过检查发现：试样腐蚀区域沿管子纵向，宽度约为2 5mm，为纵向带状面腐蚀。腐蚀区域表层被黄白色灰状物覆盖，灰状物下为深黑色，腐蚀面较为粗糙，有明显的腐蚀坑，腐蚀深度不均，除外壁腐蚀区域外试样的内外壁均未见明显增厚的氧化皮。腐蚀区域放大照片及横截面见图2。经测量，试样平均外径为50.9mm，未腐蚀区域管子平均壁厚8.9 6 mm，管子未见明显变形，腐蚀区域最小壁厚8.0 2 mm，以名义壁厚9 mm计算平均减薄约1mm，结果表明在试样管腐蚀区有明显减薄迹象。腐蚀减薄区(a)横截面照片图2 试样照片Fig.2 Photos of the sample割取管样的裂口处于弯头处中间位置，纵向长度约为3 0 0 mm，裂口附近的壁厚为8.10 mm，纵向151.炉后洲漏位置(b）管样取样位置示意图(b)腐蚀区域放大照片152.裂口的水平管段侧尖端存在1条横向裂口，横向裂口长度约占环向周长的1/4，裂口附近的壁厚为9.44mm，管子最大胀粗率为2 1.9 2%，断口表面不平整且已氧化，未发现明显的塑性变形；对比管右侧中性面偏外弧处存在严重的点状腐蚀，弯头处腐蚀最为严重，腐蚀面积从右侧中性面至外弧面，约占环向周长的1/4。详情如图3 所示。2.2化学成分分析TP347H属于高碳含锯Cr-Ni奥氏体不锈钢，由于含稳定化元素Nb，其耐晶间腐蚀和耐多硫酸晶间应力腐蚀性能良好，在酸、碱、盐等腐蚀介质中其耐蚀行与含Ti的18-8 奥氏体不锈钢相近，适用于石油化工的热交换器和大型锅炉蒸汽管道、过热器管、再热器管 。对试样TP347H材质进行化学成分分析，结果见表1，由表可知，试样的化学成分符合ASME标准中对TP347H材质的化学成分规定，试样管材材质合格。项目试样ASME标准值项目试样ASME标准值7.5010.50蚀，在ZEISSLSM700型激光共聚焦扫描显微镜下对各金相环样的显微组织和内外壁形貌进行观察。依据GB/T63942002金属平均晶粒度测定法对各管样进行晶粒度评级，GB53102008高压锅炉用无缝钢管对TP347H钢的晶粒度要求为710 级7。参照DL/T1422201518 Cr-8 Ni 系列奥氏体不锈钢锅炉管显微组织老化评级标准对TP347H钢的显微组织进行老化评级，标准对奥氏体钢老化分为5级，15级依次为未老化、轻度老化、中度老化、重度老化、完全老化8。金相分析结果见图4，由图可知：1）试样裂口附近存在多条孤立的二次裂纹，二次裂纹内存在氧化物，裂口附近显微组织为奥氏体+第二相析出物，奥氏体晶界大部分已消失，晶界存在大量粗化的第二相，大多呈链状分布，部分位置还存在孔洞，老化45级，即重度老化-完全老化，外壁存在严重的腐蚀，腐蚀层分为2 层，外层完全为腐蚀产物，内层存在微裂纹，微裂纹内充满能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)2.3金相分析各金相试样经砂纸粗、细磨和抛光后，经砂纸粗、细磨和抛光后，用硫酸铜盐酸水溶液对试样擦表1TP347H样管化学成分Table 1 Chemical composition of TP347H sample tubeW(C)(Si)0.080.220.070.130.30w(Ni)0(Nb)9.080.500.300.60节能技术(a)纵向裂口形貌S(b)腐蚀位置形貌图3 割取管样宏观形貌Fig.3 Macromorphology of cut pipe samples0(Mn)0(P)0.790.0351.000.040(B)0(Al)0.0050.0090.0010.0100.0030.03了腐蚀产物，腐蚀深度最大为0.50 mm；腐蚀对面侧显微组织为奥氏体+第二相析出物，平均晶粒度为8 9 级，老化3 级，即中度老化，外壁未发现明显的腐蚀痕迹；裂纹附近（腐蚀侧）和腐蚀对面侧的内壁氧化皮大部分已脱落，且外层已脱落，平均厚度为2 5 m。2）试样裂口附近存在大量的孔洞，裂口附近显微组织为奥氏体+第二相析出物，奥氏体晶界大部分已消失，晶界存在大量的第二相，老化4级，即重度老化，外壁存在严重的腐蚀，腐蚀层分为两层，外层完全为腐蚀产物，内层存在微裂纹，微裂纹内充满了腐蚀产物，腐蚀深度最大为0.2 5mm；腐蚀对面侧的显微组织为奥氏体+李晶+第二相析出物，平均晶粒度为8 9 级，奥氏体晶界部分消失，晶界和晶内存在大量的第二相，老化3 4级，即中度老化-重度老化，外壁未发现明显的腐蚀痕迹；裂纹附近（腐蚀侧）和腐蚀对面侧的内壁氧化皮外层大部分已脱落，平均厚度为50 m。W(S)0.0010.010(N)0.090.050.120(Cr)18.4417.0019.00w(Cu)2.972.503.50节能技术能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)153.100 m(a)裂口外部形貌40m(b）裂口附近靠外部形貌100 um(c）裂口中部形貌40um(d)裂口附近靠中部形貌Fig.4 Metallographic analysis of pipe cracks3）1-3 试样裂口附近未发现明显的孔洞及二次微裂纹，裂口附近显微组织为奥氏体+第二相析出物，奥氏体晶界大部分已消失，晶界存在大量的第二相，部分已呈链状分布，老化3 4级，即中度老化-重度老化；外壁存在严重的腐蚀，腐蚀层分为两层，外层完全为腐蚀产物，内层存在微裂纹，微裂纹内充满了腐蚀产物，腐蚀深度最大为0.12 mm；内壁氧化皮部分已脱落，外层已完全脱落，平均厚度为 2 5 m。2.4腐蚀层能谱成分和形貌分析在FEIQuanta400型扫描电镜和OXFORDINCAEnergyX射线能谱仪下对试样腐蚀区域表层进行能谱分析，根据腐蚀层的形貌及分析结果表明：1）腐100 m(e)裂口内部形貌图4管材裂口金相分析100um(f)裂口附近靠内部形貌134100 m(a)外壁腐蚀层能谱分析位置图4蚀层分为2 层，外层完全为腐蚀产物，内层存在微裂纹，微裂纹内充满了腐蚀产物（见图5)；2）腐蚀产物主要成分除O、Fe、C r、Ni等元素外，还存5在S元素，质量分数最高达8.8 2%，结果见表2。20 m2.5室室温拉伸试验在试管样的不同直管位置上加工2 个拉伸试样（拉伸试验机型号为CMT5205），依据标准GB/T228一2 0 10 金属材料拉伸试验进行室温拉伸试验。试样的室温拉伸试验结果见表3，结果表明：1）试样管水平段和垂直段腐蚀侧的抗拉强度Rm和断后伸长率A均低于标准对Super304H相近牌(b)腐蚀层内层能谱分析位置图图5腐蚀层外壁和内层能谱分析位置图Fig.5 Location map of energy spectrum analysis forthe outer and inner walls of the corrosion layer号TP347H新钢管的要求，其规定塑性延伸强度Rpo.2符合标准对Super304H相近牌号TP347H新钢管的要求。154.图 5(a)图5(b)试样位置水平段腐蚀侧水平段腐蚀对面侧垂直段腐蚀侧垂直段腐蚀对面侧ASME SA-213 TP347H2）试样管水平段和垂直段腐蚀对面侧的断后伸长率A均低于标准对Super304H相近牌号TP347H新钢管的要求，其抗拉强度Rm和规定塑性延伸强度Rp.0.2符合标准对Super304H相近牌号TP347H新钢管的要求。3腐蚀原因分析宏观检查与测量及材质分析结果表明，未剥落的氧化皮呈银灰色，已剥落的呈黑褐色颗粒状和片状，手捏易分层且呈粉末状，氧化皮主要组成元素为铁和氧，基本不含铬元素，管壁减薄较多，符合TP347H钢管发生氧化腐蚀的特征 9 。锅炉后屏过热器运行烟气温度在7 0 0 8 0 0，适合熔融态的飞灰在管壁上沉积，且飞灰中除含有S元素外，还含有Si、Ca、A l 等元素，造成爆破管表面沉积熔融态的硫酸盐，熔融状态的M,Fe(SO4);可通过腐蚀产物层到达金属表面，它与金属基体直接反应，先生成FeS，Fe S再和氧作用生成SO2和Fe2O;反应产物SO,可以氧化为SO3，所生成的SO;又和飞灰中的Fe2O3、反应产物M2SO4起化学作用，生成M,Fe(SO4);继续腐蚀金属，因此少量的腐蚀剂一液态M,Fe(SO4);在有氧的情况下可腐蚀大量的金属 1-=，基体金属与沉积在工件表面的硫酸盐及飞灰中的硫发生综合作用，进而产生热腐蚀现象。硫能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)表2 管样腐蚀层能谱分析结果Table 2Energy spectrum analysis results of corrosion layer on pipe samples位置w(O)125.60224.8635.95412345节能技术(Si)w(S)0.883.810.915.920.653.180.5524.411.3829.4124.11w(Cr)30.4847.0915.0919.760.6850.018.8255.400.411.840.74表3 室温拉伸试验结果Table 3 Room temperature tensile test results抗拉强度Rm/MPa449734550738590w(Mn)0.260.280.971.710.2635.184.8311.710.4620.840.54规定塑性延伸强度Rp.0.2/MPa374418389367235对高合金耐热钢的热腐蚀产生3 方面的影响：1）生成硫酸盐；2）硫是热腐蚀反应的催化剂，硫和金属M反应生成MS，M S又进一步被硫酸盐氧化并使硫还原，而还原出的硫再与M反应生成MS，腐蚀依次循环进行；3）硫更易于沿晶界进入，因而这一过程使得在氧化层晶界处生成富Cr的CrS，从而不断消耗Cr，造成周围基体贫Cr，使材料抗蚀性降低，硫的不断进人将使金属进一步被腐蚀。最终腐蚀层分为2 层，外层完全为腐蚀产物，内层存在微裂纹，微裂纹内充满了腐蚀产物，随着钢管服役时间延长，大量蠕变孔洞扩展，逐步连接形成蠕变裂纹，蠕变裂纹继续扩展形成宏观裂纹,最终造成管材失效 12-13 。4先期处置措施及管材对比4.1先期处置措施1）加强燃烧调整，控制锅炉左右侧氧量及壁温偏差，避免运行炉膛出口烟气温度过高，迎风烟侧管壁积灰和结焦。2）控制入炉煤中o(Sar)1.1%，保证运行时锅炉氧量不低于设计运行，减少燃煤硫份影响和还原性气体生成，有效缓解高温腐蚀的产生。3）坚持对后屏过热器腐蚀管道“逢停必查”，及时更换腐蚀减薄超标管段14。采取以上运行措施，经2 0 18 年#1机组C修检(Fe)33.5015.9053.5867.1517.515.1526.2971.0766.29w(Ni)2.932.9720.038.984.010.756.6413.768.91断后伸长率 A/%2.523.55.523.535.0w(Cu)2.552.351.252.590.300.220.702.243.43节能技术查更换腐蚀超标弯头9 8 根，2 0 19 年#1机组A修检查更换腐蚀超标弯头10 6 根，直管2 0 0 m后，根据临修#1炉后屏过热器底部弯头及直管检查的情况，该管段仍存在高温热腐蚀情况。现有火电企业随着市场化进程不断加快，煤碳市场形式日益严峻，燃用煤种含硫量远高于设计值；且响应国家能源保供要求，机组长周期运行，峰谷差和机组变负荷速率不断增大的影响下，锅炉不同程度上存在过热器局部区域温度超设计值，机组检修时间减小等不利因素影响，造成处置效果不效，机组非计划停运风险增加。4.2管材腐蚀情况对比自机组投产以来的四管检查结果显示腐蚀的弯头、直管主要集中在后屏过热器的每屏第#4-13 管圈的TP347H材质底部弯头、直管上，而#1-3 管圈HR3C的直管及弯头仅有轻微腐蚀坑点，自投产以来在未进行受热管更换，停炉检查未发现腐蚀超标管段，可避免运行中后屏过热器烟气温度在7 0 0 左右的高温热腐蚀，较TP347H管材其抗腐蚀性能明显增强。HR3C奥氏体耐热钢是一种含有较高Ni、C r 合金元素的新型奥氏体耐热钢，在传统TP310钢的基础上添加0.2%0.6%（以质量分数计，下同）的Nb合金元素和0.15%0.3 5%的N合金元素，蠕变断裂强度较高，其蠕变断裂强度提高的主要原因是在基体中添加的NbN合金元素，在长期服役条件下弥散析出细小而稳定的NbCrN相和Nb(CN)以及M23C6共同对基体进行强化，同时增加微量的N合金元素对抑制相的形成，材料韧性有效改善 15-1。由于Cr合金元素的含量较高，HR3C耐热钢具有良好的高温抗蒸汽氧化和抗腐蚀性能，较传统的TP347H钢许用应力有大幅的提高，当管壁温度700时，HR3C耐热钢仍具有抗烟气腐蚀和抗蒸汽氧化性能。5结论1）试样管受到热腐蚀的作用，出现腐蚀侧管壁减薄、显微组织老化严重、材料性能劣化的现象，产生爆破的原因是受到高温热腐蚀的作用，产生蠕变裂纹和晶间腐蚀，管壁有效厚度减薄；同时爆破管腐蚀侧（迎烟侧）的显微组织老化程度相对腐蚀对面侧严重，腐蚀侧的抗拉强度和断后伸长率相较腐蚀对面侧较低，造成管材性能劣化，最终受到热腐蚀最严重的管壁厚度低于最小壁厚，不能满足锅能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)炉运行的强度要求，在介质的内压力作用下发生了爆破。2）根据腐蚀原因，在后屏过热器高温腐蚀无有效运行控制手段情况下，对后屏过热器第#4-13 管圈底部弯头及直管段升级更换为与#1-3 管圈相同材质的HR3C耐热钢，可有效避免运行中后屏过热器烟气温度在7 0 0 左右的高温热腐蚀，防止后屏过热器管材腐蚀失效，有效提高其抗腐蚀性能及使用寿命，从而达到保障机组安全稳定运行的目的。参考文献1江西景德镇电厂.6 0 0 MW超超临界机组集控运行规程 M.景德镇：出版社不详,2 0 10.2弓学敏,张文忠.锅炉受热面高温腐蚀的机理及防范措施 .电力科学与工程.2 0 0 7,2 3(2):7 2-7 6.3周新刚,苗长信.电站锅炉高温腐蚀产生的原因及防范措施.山东电力技术,2 0 10(2):49-53.4吴园青,曾明劭.7 0 0 MW超临界四角切圆锅炉水冷壁高温腐蚀综合治理 J.能源研究与管理,2 0 19(3):7 9-8 2.5徐卫仙.超(超)临界流体环境中形成的TP347H氧化层化学成分与微观结构分析 J.黑龙江电力,2 0 0 7(2):148-150.6毕革平,杨栋.金相显微镜数字照相及图像分析的方法确认.理化检验-物理分册,2 0 0 7,43(1):2 3-2 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