1、47质量控制与失效分析PTCA(PARTAPHYS.TEST.)2023年第59 卷8理化检验-物理分册D0I:10.11973/lhjy-wl202308012低温省煤器ND钢大面积腐蚀原因张安文，霍岩?，李建雄”，张志博（1.西安热工研究院有限公司，西安7 10 0 542.内蒙古鄂尔多斯高新材料有限公司，鄂尔多斯0 16 0 6 4）摘 要：某电厂低温省煤器 ND钢发生大面积腐蚀，采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、硬度测试、扫描电镜分析、X射线衍射分析、离子色谱分析等方法研究腐蚀原因。结果表明：试样的化学成分、显微组织、显微硬度等均符合标准要求；泄漏的水溶解了烟气中的硫化物，形成酸性
2、溶液并吸附到管子外表面,溶解的 F-、CI-和 SO破坏了 ND钢管壁表面的保护膜,导致低温省煤器发生大面积腐蚀。最后提出了改进建议,以避免低温省煤器 ND钢发生大范围腐蚀。关键词：低温省煤器；ND钢；腐蚀中图分类号：TG142.3；T G 115.2文献标志码：B文章编号：10 0 1-40 12(2 0 2 3)0 8-0 0 47-0 4Causes of large area corrosion of ND steel for low temperature economizerZHANG Anwen,HUO Yan?,LI Jianxiong,ZHANG Zhibo(1.Xian T
3、hermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Xian 710054,China;2.Inner Mongolia Ordos Advanced Materials Co.,Ltd.,Ordos 016064,China)Abstract:A large area of corrosion occurred in ND steel of low temperature economizer in a power plant.The causes of corrosion were studied by means of macroscopic observa
4、tion,chemical composition analysis,metallographic examination,hardness test,scanning electron microscope analysis,X-ray diffraction analysis and ionchromatography analysis.The results show that the chemical composition,microstructure and microhardness of thesamples all met the requirements of the st
5、andard.The leaked water dissolved the sulfide in the flue gas to form anacidic solution,which was adsorbed to the outer surface of the pipe.The dissolved F,CI and SO destroyed theprotective film on the surface of the ND steel pipe wall,resulting in large-scale corrosion of the low-temperatureeconomi
6、zer.Finally,suggestions for improvement were put forward to avoid large-scale corrosion of ND steel inlow-temperature economizer.Keywords:low temperature economizer;ND steel;corrosion低温省煤器利用烟气余热加热机组凝结水，起到降低锅炉排烟温度的作用1。低温省煤器可显著提高机组热效率，节能、节水效果显著。目前，国内已有多家电厂进行了低温省煤器的安装和改造。针对低温省煤器的安装位置、设计优化和动态特性等已有大量研究2
7、3。低温省煤器虽然提高了电站设备的热效率，但是增加了电站系统的复杂性，导致电站设备的失效事故发生率提高，给机组的运行带来安全隐患。低温省煤器常规的失效模式有两种。一种是飞收稿日期：2 0 2 2-0 8-0 7作者简介：张安文（198 8 一），男，博士，主要从事理化检验工作，灰磨损4，即尾部烟道中的灰粒和烟气会冲刷并撞击低温省煤器管外壁，剥离管子外壁的氧化膜和金属基体，导致管子外壁损伤减薄。研究表明，飞灰磨损的程度与管子的布置、飞灰的流速、飞灰流向与管壁的相对角度、管子的材料和工艺状态等均有关。改善低温省煤器区域的烟气流通均匀性可减轻飞灰磨损的程度。低温省煤器的第二种常见失效模式是低温腐蚀（
8、露点腐蚀）5，燃料燃烧后，当管子外壁温度低于硫酸蒸汽的露点温度时，硫酸根离子与水蒸气会在管子外壁凝结，形成附着在管子外壁的酸液，破坏管子外壁的氧化膜，腐蚀管子外壁。选用耐酸腐蚀能力强的材料（如ND钢、316 L不锈钢、2 2 0 5双相不锈钢等），可减轻低温省煤器管的露点腐蚀48张安文温省煤器ND钢大面积腐蚀原因理化检验-物理分册程度。ND钢广泛应用于电站的低温省煤器中，由于ND钢的耐硫酸腐蚀能力强，因此ND钢设备大面积腐蚀的现象少有发生。某电厂低温省煤器发生泄漏，该低温省煤器投人运行4a，管子规格为38 mmX4.5mm（外径壁厚），低温段管和翅片材料均为ND钢，其余部位为20G钢。给水温度
9、为6 191，出口水温度为8310 5；烟气进口温度为12 6 156，烟气出口温度为92 118。笔者采用一系列理化检验方法分析了该低温省煤器管发生大面积腐蚀的原因，并提出相应的防范措施和改进建议，为低温省煤器的科学、合理运行提供数据支撑。1理化检验1.1宏观观察低温省煤器样管宏观形貌如图1所示。该低温省煤器管子及鳍片表面均发生严重腐蚀，腐蚀产物呈黑褐色和黄色，鳍片间积灰较厚。在光管部位割取一段样管，可见钢管外壁严重减薄。管子设计壁厚为4.5mm，减薄严重区域壁厚仅为1.2 mm。1.2化学成分分析钢管设计材料为ND钢，从样管截面中取样并进行化学成分分析，其中用红外碳硫分析仪测量C、S元素，
10、用电感耦合原子发射光谱仪测量其他元素，结果如表1所示，由表1可知，试样的化学成分均符管子与鳍片脱离鳍片间的沉积物图1低温省煤气样管宏观形貌表1ND钢管试样的化学成分分析结果%质量分数项目CSiPSMnCrCu实测值0.0850.250.0160.0050.540.870.250.200.350.70 0.25标准值0.120.400.0300.0200.651.100.45合GB/T150.22011压力容器第2 部分：材料的要求。1.3金相检验从管子减薄处与未减薄处各取一个试样（编号为1#和2#），置于光学显微镜下观察，结果如图2所示，由图2 可知：试样显微组织为铁素体十珠光体，管子内壁附近
11、带状组织明显；腐蚀坑内有腐蚀产物，腐蚀坑附近显微组织无明显脱碳特征。20um50um50um100ma）1#试样腐蚀位置（高倍）b)1#试样外壁c）1#试样中间位置d）1#试样腐蚀位置（低倍）50um50Lm50um50ume)1#试样内壁f)2#试样外壁g)2*试样外壁h)2#试样内壁图2泄漏管试样的金相检验结果1.4硬度测试使用维氏硬度计测试试样的横截面硬度，载荷为2 94.2 N，保载时间为15s，在管壁界面中间部位取3个位置。得到的维氏硬度平均值分别为146，146,147HV。相关标准中未对ND钢的硬度做出规定，仅对其室温拉伸性能有规定，其室温抗拉强度49张安文省煤器ND钢大面积腐蚀
12、原因理化检验-物理分册为 390 MPa550 M Pa。依据标准 DIN 501502000金属材料的试验硬度值换算中关于常见钢材抗拉强度与材料维氏硬度的关系，推算ND钢的硬度为12 2 17 2 HV,可见管子试样的硬度较均匀，未见明显差异。1.5扫描电镜（SEM)分析采用扫描电镜对试样横截面进行观察，结果如图3所示，管子外壁氧化膜不连续，部分区域氧化膜已经脱落，无氧化膜覆盖，氧化膜与基体之间有缝隙，说明氧化膜未对基体起到很好的保护作用。管子外壁存在两种不同颜色的附着物，一种是在外壁分布的红褐色物质，另一种是包裹着红褐色物质的黄白色物质，两层物质均较疏松。1.6X射线衍射(XRD)分析为进
13、一步确定红褐色和黄白色物质的组成，将30um图3管子外壁SEM形貌该红色物质和黄白色物质磨成粉末，采用X射线衍射分析仪得到其晶体的特征衍射峰（见图4）。采用软件将粉末试样的XRD谱图与标准谱图进行比对。由图 4 可知:红褐色物质主要成分为 Fe2O3，黄白色物质主要成分为 Al.SizOi3（莫来石）和SiOz，其他物质含量较少,在 XRD谱图中无法检测到其衍射峰。(104)Fe,O,标准衍射峰-Al,Si,O,标准衍射峰(110)一粉末试样XRD谱图-Sio,标准衍射峰一粉末试样XRD谱图(116)(012)(113)(024)(300)(214)(0Q6)(220)(122)(1010)w
14、wloM204060802040608020/()20/()a）红褐色粉末XRD谱图b）黄白色粉末XRD谱图图4红褐色粉末和黄白色粉末XRD谱图1.7试样表面沉积物水溶性分析对试样不同部位的沉积物进行了水溶性分析，取样位置如图5所示。1号试样最外层沉积物呈暗红色；2 号试样为管子外壁的红色沉积物，位置与1号试样相同；3号试样为管子和鳍片最外层沉积物，呈灰色；4号试样为翅片表面腐蚀产物，呈黑色。根据DL/T9542005火力发电厂水汽试验方法痕量氟离子、乙酸根离子、甲酸根离子、氯离子、亚硝酸根离子、硝酸根离子、磷酸根离子和硫酸根离子的测定一一离子色谱法,用离子色谱仪对试样进行水溶性分析，结果如表
15、2 所示，结果显示这几种试样均含图5各垢样在低温省煤器上的取样位置有硫酸根离子、氯离子和氟离子。表2低温省煤器垢样分析结果%试样中水溶性阴离子质量分数试样名称F-CI-SO1号内层试样（暗红色）0.040.0112.532号试样（红色）0.020.025.913号最外层试样（灰色）0.040.015.304号试样（黑色）0.020.100.521.8煤质分析为进一步确定硫酸根离子的来源，对电厂的实际煤质进行分析，并与设计煤质进行对比，结果如表3所示，由表3可知：实际煤质的灰分和硫含量显著高于设计煤质，说明沉积物中的硫酸根离子主要来源于燃煤。表3电厂用煤煤质分析低位发热量/收到基干燥基挥 收到基
16、全收到基项目MJkg-1灰分/%发分/%硫/%全水/%设计煤质21.818.88320.7311.2实际煤质19.828.2628.51.6710.050张安文，等：低温省煤器ND钢大面积腐蚀原因理化检验-物理分册2综合分析当ND钢处于腐蚀环境时，其表面极易形成一层薄的致密保护膜，可有效减缓硫酸的腐蚀速率6-9。因此，ND钢无缝钢管已被广泛用于生产制造某种高含硫的省煤器、热交换器、空气预热器，以及蒸发器等设备中10 1，目的是用来抵御某种含硫烟气露点的腐蚀。管样表面保护膜并不连续，与母材基体结合不牢固，部分区域发生氧化膜剥落，并未对母材起到良好保护作用。说明ND钢表面保护膜在服役过程中遭到破坏
17、。由表2 中对不同部位的沉积物水溶性分析结果可知，靠近管壁的内层沉积物中硫酸根离子含量较高，并含有少量卤族元素阴离子（F-，CI-）。研究表明，硫酸根离子、卤族元素阴离子来源于锅炉烟气11。硫酸根离子、F-、CI-均可破坏ND钢表面的保护膜。ND钢管的腐蚀过程如图6 所示。ND钢管表面有一层致密保护膜；低温省煤器泄漏，导致烟气湿度、黏度增加，飞灰沉积到管壁上，喷出的水对烟气中的杂质(如硫的氧化物、氮的氧化物、氯化物等)溶解性较强，相当于发挥了洗烟气的作用。烟气中的硫氧化物和卤族元素溶解在水滴中后，形成硫酸或亚硫酸溶液及卤族阴离子，并与烟灰共同沉积到管子外表面,形成垢层。酸性条件促进卤素阴离子破
18、坏氧化物保护膜，使金属基体失去保护。失去保护膜的金属基体发生腐蚀。以上过程持续发展，最终导致低温省煤器发生大范围严重腐蚀管壁保护膜管壁保护膜垢层管壁保护膜垢层管壁保护膜垢层H20H20H20-SO2-SO.2-SO.2CICICIF-FFH+图6ND钢管腐蚀过程示意3结论与建议（1）ND 钢管试样的化学成分、显微组织、硬度等符合标准要求。（2）试样腐蚀减薄的原因为：某些位置发生泄漏后，未及时进行停机处理，泄漏的水溶解了烟气中的腐蚀性物质，沉积到管子外表面，溶解的F-、C1-和SO破坏了管壁表面的保护膜，致使设备发生大面积腐蚀。（3）ND 钢制低温省煤器在潮湿的炉烟环境中的抗腐蚀能力不强。（4）
19、建议使用单位在低温省煤器发生泄漏后尽快进行停机处理，避免发生大范围腐蚀现象。参考文献：1韩中合，李鹏.锅炉加装低温省煤器热经济性分析J.热力发电，2 0 16，45（6)：7 0-7 3,8 0.2刘鹤忠，连正权.低温省煤器在火力发电厂中的运用探讨.电力勘测设计，2 0 10（4）：32-38.3王加勇，杨茉，陈伟，等.考虑多因素两级低温省煤器经济性能分析J.节能技术，2 0 17,35（3）：2 2 5-2 2 8,2 34.4于凯，一萌，徐琳，等.某电厂低温省煤器泄漏问题分析J.锅炉制造，2 0 2 0（6）：2 0-2 6.5许适群.关于露点腐蚀及用钢的综述.石油化工腐蚀与防护,2 0
20、0 0,17(1)：1-4,6 5.6王东明，陈培旺.煤粉锅炉烟气脱硝改造后低温省煤器腐蚀原因分析及措施J.冶金动力，2 0 2 0，39（4）：47-48,52.7蔡昊.0 9CrCuSb钢在锅炉制造中的应用J.工业锅炉,2 0 0 5(5)：2 2-2 5.8叶先祥，周成，张聪.新型耐硫酸盐酸露点腐蚀钢的性能研究J.腐蚀科学与防护技术，2 0 15，2 7（2）：135-140.9郑文龙.新型耐硫酸露点用钢一一ND钢J.机械工程材料，1996,2 0（3)：46.10常季，陈吉，崔霄.ND钢耐低温露点腐蚀性能的研究J.石油化工腐蚀与防护，2 0 16，33（1)：8-11.11张福厚，李邯生，刘维颖，等.ND钢省煤器及空气预热器J.石油化工设备技术，1994（2）：2 4-2 5.
