嘉興發(fā)電廠二期工程化學(xué)補(bǔ)給水系統(tǒng)兩套板框式316不銹鋼換熱管在短時(shí)間內(nèi)相繼損壞失效,在對(duì)換熱器運(yùn)行條件、失效宏觀特征、腐蝕產(chǎn)物特征和材料化學(xué)成分的分析后,得出了應(yīng)力腐蝕破裂的結(jié)論,并提出了相應(yīng)的防范措施。

嘉興發(fā)電廠二期工程化學(xué)補(bǔ)給水系統(tǒng)配有2×130t/h反滲透預(yù)脫鹽系統(tǒng)和離子交換系統(tǒng),為鍋爐提供高質(zhì)量的除鹽水,在反滲透系統(tǒng)前配套設(shè)計(jì)了機(jī)械過(guò)濾器對(duì)反滲透進(jìn)水進(jìn)行混凝和過(guò)濾,工藝流程如下:

補(bǔ)給水系統(tǒng)于2004年9月投運(yùn),于2004年12月發(fā)現(xiàn)開(kāi)始泄漏,兩套板框式316不銹鋼換熱管在短時(shí)間相繼損壞失效,使反滲透系統(tǒng)正常制水受到影響,究竟是什么原因?qū)е聯(lián)Q熱器短時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效報(bào)廢呢?我們?cè)诜治鰮Q熱器運(yùn)行條件、失效宏觀特征、腐蝕產(chǎn)物特征和材料化學(xué)性能的基礎(chǔ)上,分析了不銹鋼換熱管應(yīng)力腐蝕成因,得出了應(yīng)力腐蝕斷裂的結(jié)論。并提出了相應(yīng)的防范措施。

1設(shè)備運(yùn)行工況簡(jiǎn)介

失效換熱器在除鹽系統(tǒng)中起著加熱反滲透進(jìn)水的作用。換熱器為板式結(jié)構(gòu),加熱源為機(jī)組的輔助蒸汽,經(jīng)過(guò)減溫減壓裝置后,加熱用汽的溫度下降到150℃左右,壓力大約在0.3～0.4MPa,加熱器的薄板采用了316不銹鋼(0Cr17Ni12Mo2)的波紋板,板厚度為1mm左右,一側(cè)走汽,另一側(cè)走水,運(yùn)行過(guò)程中水壓大約在0.5～0.6MPa,進(jìn)水溫約為0～15℃,加熱后出水水溫小于等于25℃。水側(cè)與汽側(cè)之間通過(guò)橡膠圈進(jìn)行密封隔離,水側(cè)的水為原水預(yù)處理后的出水,原水預(yù)處理通過(guò)采用原水加入聚合氯化鋁進(jìn)行混凝、澄清處理,并在預(yù)處理后還加入了次氯酸鈉進(jìn)行殺菌消毒,原水氯離子含量全年平均大約在80～130mg/L,經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的氯離子含量水平更高。而加熱蒸汽中氯離子則在1μg/L左右?？梢钥闯?/span>,水側(cè)的氯離子的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽側(cè)的氯離子含量。

2不銹鋼換熱管失效特征及腐蝕產(chǎn)物分析

對(duì)失效不銹鋼換熱管加熱板進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn),加熱板汽側(cè)整體呈銀灰色,換熱器水側(cè)和汽側(cè)進(jìn)口的波紋板處均有少量白色水垢沉積物,水垢很硬,垢下存

在腐蝕點(diǎn)以及裂紋,裂紋是從汽側(cè)開(kāi)始發(fā)展的,裂紋呈樹(shù)枝狀,最長(zhǎng)一條約35mm。宏觀形貌見(jiàn)圖1。并拌有局部點(diǎn)蝕存在,汽側(cè)中部也均勻地分布著蝕點(diǎn)和縫隙腐蝕溝,深度大約在1mm;而加熱板的水側(cè)整體的顏色成淡淡的水銹黃色,水側(cè)整體沒(méi)有腐蝕點(diǎn)。汽側(cè)加熱波紋板腐蝕形貌見(jiàn)圖2。

對(duì)失效的加熱器板,委托機(jī)械工業(yè)材料質(zhì)量檢測(cè)中心進(jìn)行了金相檢驗(yàn)和化學(xué)成分分析。分析報(bào)告提供的腐蝕產(chǎn)物成分為:O、Mg、Si、Mo、S、Cl、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni。其中O為16.16%、S為3 1 31%、Cl為16.68%,從中可知,Cl含量已經(jīng)超出其他非金屬元素的含量,為主要腐蝕產(chǎn)物。金相檢驗(yàn)提供的應(yīng)力腐蝕斷裂形貌見(jiàn)圖3,從圖中可以看出:裂紋為穿晶、沿晶混合型,裂紋起源于點(diǎn)蝕坑。

3奧氏體不銹鋼換熱管的應(yīng)力腐蝕原理

不銹鋼換熱管材料在拉應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)的聯(lián)合作用下,可發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(stress corrosion crack 2ing)。奧氏體不銹鋼化學(xué)性能優(yōu)良,但在氯化物存在時(shí)的抗應(yīng)力腐蝕性能較差。工作介質(zhì)溫度的不同,使得奧氏體不銹鋼對(duì)氯化物含量的敏感程度也不同,根據(jù)316不銹鋼的腐蝕曲線,在含氯水的腐蝕介質(zhì)中,氯離子濃度達(dá)到130mg/L,其引發(fā)應(yīng)力腐蝕的臨界溫度是80℃。一般來(lái)說(shuō),應(yīng)力腐蝕主要是通過(guò)破壞不銹鋼表面的鈍化膜而導(dǎo)致的,因?yàn)槁入x子能對(duì)不銹鋼表面鈍化膜起到強(qiáng)烈的活化作用,當(dāng)氯離子吸附在不銹鋼的薄弱部位取代O 2-,使鈍化膜遭到破壞,局部形成閉塞電池,進(jìn)而成為針孔狀的點(diǎn)蝕坑(pitting corrosion),加上坑內(nèi)介質(zhì)中的Cl-在溫度較高時(shí)濃縮,介質(zhì)酸度增加,更加速了金屬的腐蝕進(jìn)程,蝕孔的尖端可擴(kuò)展為裂紋,為應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生留下源頭。當(dāng)局部介質(zhì)中的氯離子含量達(dá)到一定濃度,蒸汽溫度較高,并且存在應(yīng)力集中時(shí),就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕斷裂的發(fā)生。

4熱交換器的應(yīng)力腐蝕成因分析

4.1汽側(cè)氯離子含量增高

正常工況下汽側(cè)蒸汽氯離子含量并不高,約1μg/L左右。為何汽側(cè)氯離子濃度會(huì)大大增加呢?主要原因是水側(cè)介質(zhì)泄漏到汽側(cè)。原水的壓力約0.5～0.6MPa,而蒸汽的壓力在0.4MPa左右,水、汽兩側(cè)壓力存在不平衡,水側(cè)和汽側(cè)通過(guò)橡皮圈進(jìn)行了隔離和密封,由于加熱器進(jìn)口汽溫一直高達(dá)150℃,進(jìn)口處密封橡膠老化相對(duì)較快,難以避免使水側(cè)的原水進(jìn)入汽側(cè)。原水的氯離子已經(jīng)達(dá)到80～130mg/L,在加了混凝劑以及次氯酸鈉后,通過(guò)加熱板的水的氯離子濃度有可能更高。另外,在檢查過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)汽側(cè)腐蝕坑和裂紋部位存在白色的鈣鎂水垢,表明水泄漏進(jìn)汽側(cè)后,沉積在汽側(cè)進(jìn)口部位,加劇了應(yīng)力腐蝕源的產(chǎn)生。盡管水側(cè)氯離子濃度更高,但由于出水溫度不超過(guò)25℃,沒(méi)有達(dá)到導(dǎo)致316不銹鋼發(fā)生SCC的臨界溫度。因此,我們認(rèn)為應(yīng)力腐蝕源產(chǎn)生于汽側(cè)。

4.2應(yīng)力的來(lái)源

造成應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力因素,經(jīng)分析討論后認(rèn)為有以下幾方面:①波紋板經(jīng)過(guò)冷沖壓成型后,本身存在殘余拉應(yīng)力。②波紋板承受一定的壓力。③流動(dòng)介質(zhì)汽水側(cè)存在壓差,因此任何一側(cè)壓力的變化都會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器板的振動(dòng),使兩板接觸部位發(fā)生直接的碰磨,碰磨痕跡在換熱器板上很直觀,很有規(guī)律地反映出來(lái)。因此,我們認(rèn)為加熱器板的機(jī)械振動(dòng)也是造成應(yīng)力腐蝕斷裂的應(yīng)力因素之一。

5與一期換熱器的比較

一期工程的反滲透系統(tǒng)是1999年補(bǔ)給水系統(tǒng)改造后增設(shè)的,換熱器采用管式加熱結(jié)構(gòu),加熱管的材料是不銹鋼管(為1Cr18Ni9 Ti),加熱的水源同二期一致,汽源也基本相同。單純從材料化學(xué)性能上比較,這種不銹鋼比316不銹鋼耐氯性能要差,更容易出現(xiàn)腐蝕損壞,但加熱設(shè)備至今已經(jīng)運(yùn)行6～7年了卻未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象,經(jīng)比較分析后認(rèn)為,主要是加熱器結(jié)構(gòu)形式不同,一期采用了管式的加熱器,經(jīng)歷次檢查,未發(fā)現(xiàn)水側(cè)向汽側(cè)發(fā)生泄漏,汽側(cè)溫度盡管較高,但氯離子濃度要低得多,水側(cè)氯離子濃度高,但溫度較低;另外管與管之間也不存在機(jī)械碰擦和摩擦,相對(duì)而言,造成應(yīng)力腐蝕的條件不充分。

6結(jié)論和防范措施

從以上分析可以得出:不銹鋼換熱管損壞的直接原因是氯離子引起的應(yīng)力腐蝕破裂,汽側(cè)還伴有縫隙腐蝕和點(diǎn)蝕。為此,我們認(rèn)為應(yīng)采取以下措施:

(1)杜絕汽水兩相介質(zhì)間的混合:應(yīng)采取措施阻止原水進(jìn)入汽側(cè)。如對(duì)減壓裝置進(jìn)行調(diào)整,將蒸汽的壓力調(diào)整到高于水側(cè)水壓,杜絕水進(jìn)入汽側(cè)。對(duì)密封橡膠圈進(jìn)行檢查,及時(shí)更換老化的密封圈。當(dāng)然,對(duì)加熱器結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改造,換成管式加熱器對(duì)防止兩相介質(zhì)混合是最佳的措施。

(2)在加熱器制造過(guò)程中,板材沖壓后,應(yīng)進(jìn)行必要的熱處理以消除自身的應(yīng)力?？梢钥紤]選用雙相不銹鋼代替316不銹鋼。

(3)調(diào)整換熱器板與板之間的間隙,避免板之間的機(jī)械碰擦,減少機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力。

(4)定期對(duì)加熱器汽側(cè)凝結(jié)水進(jìn)行氯離子含量分析查定,掌握加熱蒸汽氯離子變化,以便及時(shí)處理。同時(shí),杜絕汽水管道中通高硬度的水,防止結(jié)垢,造成垢下腐蝕。

(5)優(yōu)化換熱器前加藥工藝的設(shè)計(jì),如將凝聚劑和次氯酸鈉加藥點(diǎn)的位置移到加熱器后,并在加藥點(diǎn)處增加混合器,以保證藥劑有充分的時(shí)間混合,充分反應(yīng),減少加熱原水的氯離子含量。