燃机余热炉低压蒸发器流体加速腐蚀(FAC)泄漏原因分析.ppt

某燃机余热炉低压蒸发器流动加速腐蚀 fac 情况介绍及泄漏原因分析 流动加速腐蚀 fac 主要内容 一 燃机余热炉设备情况简介二 低压蒸发器泄漏及检验情况三 低压蒸发器fac腐蚀泄漏原因分析四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素五 控制措施 流动加速腐蚀 fac 某热电公司燃气热电工程项目 于2006年建设2套9e级单轴联合循环发电机组 即 一拖一 燃气 蒸汽联合循环机组 每套联合循环机组包括1台燃气轮机 1台蒸汽轮机 2台发电机 包括汽轮发电机和燃机发电机 并配套1台余热锅炉及其辅助设备 流动加速腐蚀 fac 一 余热炉设备情况简介 该热电公司1 2号余热锅炉均由武汉锅炉厂引进荷兰nem公司余热炉设计技术生产 制造 该机组配套的余热锅炉为双压 高压作为主蒸汽 低压作为汽轮机低压缸进汽 无补燃 卧式自然循环锅炉 1号余热炉投产时间是2008年4月 至今运行时间约是41200小时 2号余热炉投产时间是2008年5月 至今运行时间是约40000小时 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 余热锅炉额定工况时的蒸汽参数 a 高压主蒸汽参数 高压过热器出口蒸汽流量 243 6t h 高压过热器出口蒸汽压力为 8 019mpa a 高压过热器出口蒸汽温度 523 2 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 余热锅炉额定工况时的蒸汽参数 b 低压主蒸汽参数 过热蒸汽流量 53 1t h 低压过热器出口 过热蒸汽压力 0 691mpa a 低压过热器出口 过热蒸汽温度 216 4 低压过热器出口 c 余热锅炉排烟温度 92 2 投入烟气热网换热器 128 2 未投入烟气热网换热器 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 1 2号余热锅炉均采用标准单元模块结构 所有受热面管子均垂直布置 分别由垂直错列布置的螺旋翅片管和上 下两个集箱组成管屏 各级受热面管屏尺寸基本相似 烟气从燃气轮机排出 经进口烟道 过渡烟道 进入锅炉本体向炉后方向水平流动 顺烟气方向依次经过模块i scr脱硝系统 模块ii和模块iii 最后经出口烟道及烟囱排空 经过受热面内的水和蒸汽的流动都是由自然循环来完成的 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 模块i 模块 模块 模块i包括 高压过热器4级 suphhp4 高压过热器3级 suphhp3 高压过热器2级 suphhp2 高压过热器1级 suphhp1 高压蒸发器2级 evaphp2 模块ii包括 高压蒸发器1级 evaphp1 高压省煤器3级 econhp3 高压省煤器2级 econhp2 低压过热器 suphlp 高压省煤器1级 econhp1 模块iii包括 低压蒸发器 evaplp 低压省煤器2级 econlp2 低压省煤器1级 econlp1 烟气热网省煤器2级 econdh2 烟气热网省煤器1级 econdh1 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 锅炉分为两个压力等级 各有自己的压力水平 其汽水流程按压力等级区分如下 高压系统 高压给水泵把来自低压系统 低压汽包 的给水送入高压省煤器1级 econhp1 高压省煤器2级 econhp2 和高压省煤器3级 econhp3 加热后 进入高压锅筒 进入高压锅筒的给水 由下降管引入高压蒸发器1级 evaphp1 和高压蒸发器2级 evaphp2 蒸发吸热后上升进入高压锅筒进行汽水分离 分离后饱和水回下降管 高压饱和蒸汽由高压锅筒上部引出 进入高压过热器1级 suphhp1 高压过热器2级 suphhp2 和高压过热器3级 suphhp3 在高压过热器3级和高压过热器4级之间布置有喷水减温器 蒸汽经过喷水减温器后 进入高压过热器4级 suphhp4 作为高压过热蒸汽被送到汽轮机的高压缸去作功 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 低压系统 来自冷凝器的冷凝水和热网疏水混合后经过低压省煤器1级 econph1 和低压省煤器2级 econph2 加热后 进入低压锅筒上部的除氧器进行除氧后进入低压汽包 除氧器和低压汽包为一体式结构 进入低压锅筒的给水 由下降管引入低压蒸发器 evaplp 蒸发吸热后上升进入低压锅筒进行汽水分离 分离后饱和水回下降管 低压饱和蒸汽由低压锅筒上部引出 进入低压过热器 suphlp 吸热 然后被送入汽轮机低压缸去作功 在低压省煤器出口和低压给水之间设置有再循环泵 以保证低压省煤器入口水温满足设计要求 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 低压蒸发器位于锅炉第三模块 介于高压1级省煤器和低压2级省煤气之间 共分2级 其结构如图1 2所示 顺烟气方向为低压1级蒸发器 低压2 1级和低压2 2级蒸发器 其中低压1级蒸发器布置在炉前前 低压2级蒸发器布置在炉后方向 因此低压1级蒸发器所受烟气温度要比低压2级高 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 图1低压蒸发器结构示意图 炉前炉后方向 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 图2低压蒸发器结构示意图 炉左炉右方向 低压蒸发器 低压蒸发器各级左 右设置2个集箱 如图3所示 低压1级蒸发器每个集箱炉前炉后方向为2根受热面管 炉左炉右方向 横向 为42根管 低压2级蒸发器每个集箱炉前炉后方向分别为3和3根排受热面管 炉左炉右方向 横向 为42根管 每级蒸发器左右对称布置 共计672根受热面 低压1级为42 2 2 168根管 低压2 1级为42 2 3 252根管 低压2 2级为42 2 3 252根管 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 图3低压蒸发器结构示意图 一 余热炉设备情况简介 流动加速腐蚀 fac 一 余热炉设备情况简介 表1低压蒸发器联箱和管子规格及材质 流动加速腐蚀 fac 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 1号余热锅炉 于2014年11月13日进行锅炉上水 11月14日锅炉准备启动过程中 技术人员发现锅炉尾部烟道受热面存在泄漏现象 经现场检查确认 低蒸 级受热面发生泄漏 泄漏点发生在炉前第一排右数第5根迎烟气侧 距模块受热面上联箱约3米 标高约为20米 截止泄漏累计运行时间为38022小时 如图4所示 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 图41号余热炉低蒸 级前排右数第5根管泄漏形貌 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 2015年4月6日 1号余热炉低压蒸发器管在运行中再次发生泄漏 停炉后进行内窥镜检查 检查位置如图5所示 泄漏点为 低蒸 级前排 第一排 右数第42根 后排 第二排 右数第37 41 42 54根共5根 如图6 9所示 泄漏点均位于上联箱接管座焊口下侧50mm范围内 截止泄漏 锅炉累计运行时间为41296小时 低压蒸发器设计压力是1 1mpa 工作压力是0 61mpa 设计温度是188 工作温度是166 管子及螺旋换热片材质分别为sa210 a 1和碳钢 规格为 38 2 6mm 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 2015年4月10 11日 华北电科院金属所对1 余热锅炉的低压蒸发器部分管子进行了内窥镜检查 切开部分上升管和手孔堵 图5低压蒸发器内窥镜检查示意图 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 图61号炉低蒸 级后排右数第41根 后排第42根管泄漏形貌 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 图71号炉低蒸 级后排右数第37根管泄漏形貌 图81号炉低蒸 级后排右数第54根管泄漏形貌 内部 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 图91号炉低蒸 级后排右数第54根管泄漏形貌 外部 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 表21号炉低压蒸发器内窥镜检查结果统计 表31号炉低蒸i级前排管子腐蚀情况 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 表41号炉低蒸i级前排管子腐蚀情况 续 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 表51号炉低蒸i级前排管子腐蚀情况 续 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 图101号炉低蒸i级前排管子腐蚀情况统计 流动加速腐蚀 fac 表6低蒸i级后排管子腐蚀情况 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 表7低蒸i级后排管子腐蚀情况 续 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 表8低蒸i级后排管子腐蚀情况 续 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 图11低蒸i级后排管子腐蚀情况统计 表9低蒸 级前排管子腐蚀情况 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 表10低蒸 级前排管子腐蚀情况 续 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 图12低蒸 级前排管子腐蚀情况统计 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 表11低蒸 级中间排管子腐蚀情况 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 表12低蒸 级中间排管子腐蚀情况 续 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 图13低蒸 级中间排管子腐蚀情况统计 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 表13低蒸 级后排管子腐蚀情况 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 表14低蒸 级后排管子腐蚀情况 续 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 图14低蒸 级后排管子腐蚀情况统计 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 图15水垢完好 无腐蚀 流动加速腐蚀 fac 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 图16水垢开始变化 流动加速腐蚀 fac 图17表面水垢开始脱落 流动加速腐蚀 fac 图18轻微腐蚀 腐蚀部位无垢 露出金属 流动加速腐蚀 fac 图19中等程度腐蚀 流动加速腐蚀 fac 图20轻微腐蚀 腐蚀坑呈线状排列 流动加速腐蚀 fac 图21严重腐蚀并泄漏 流动加速腐蚀 fac 流动加速腐蚀 fac 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 2015年4月15日 华北电科院金属所对1 余热锅炉的高蒸 级蒸发器 高蒸ii级蒸发器 高压省煤器 级 低压省煤器 级部分管子进行了内窥镜检查 切开手孔堵 均未发现流动加速腐蚀现象 同时 对2 余热锅炉的低压 级蒸发器部分管子也进行了内窥镜检查 切开手孔堵 共检查了12根管子 前后排各6根 发现前后排各1根管有较严重的腐蚀 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 图22 2炉低蒸前排管a 2 二 低压蒸发器泄漏及检测情况介绍 流动加速腐蚀 fac 1 2号炉低压蒸发器内窥镜检验结果总结 1 低压蒸发器管子内壁发生腐蚀的部位具有不确定性 上联箱管座对接焊口以下 不同长度 不同数量分段分布 最多7段 最远13 7米左右 2 从低蒸i级前排至低蒸 2级 腐蚀严重程度和腐蚀根数比例逐排减小 发生多段腐蚀的管子 腐蚀严重程度从上到下逐段减弱 3 材质t11的联箱短节管段未见腐蚀 发生腐蚀的管子材质为sa210a 1 4 高蒸i级蒸发器 高蒸ii级蒸发器 高压省煤器i级 低压省煤器i级部分管子进行了内窥镜检查 均未发现腐蚀现象 说明介质温度高于200 和低于120 不易发生腐蚀 三 低压蒸发器fac腐蚀泄漏原因分析 剖开取样管段 可见内壁表面存在大量密密麻麻的蜂窝状蚀坑 如图23 24所示 内壁蚀坑呈亮黑色 光滑 圆润 无毛刺 且无规则连成片 具有一定深度 宏观及低倍显微镜下观察 未见其他明显腐蚀产物 管子迎烟侧内壁蚀坑大小及深度相对背烟气侧稍微严重 内壁蚀坑的存在 降低了低压蒸发器受热面管的有效壁厚厚度 流动加速腐蚀 fac 图23 图24 三 低压蒸发器fac腐蚀泄漏原因分析 在低倍光学显微镜下 观察取样管内壁形貌特征 如上图25所示 管子内壁表面蚀坑大小不一 光滑 圆润 边缘呈不规则曲线形 呈 沙滩状 波纹形貌 图26中 亮白色部分是内壁蚀坑经4 硝酸酒精侵蚀后的形貌特征 是管材金属基体 黑色部分未经硝酸酒精侵蚀 是在内壁表面形成的很薄腐蚀产物层 流动加速腐蚀 fac 图25 图26 三 低压蒸发器fac腐蚀泄漏原因分析 在高倍光学显微镜下 观察测量管子的实际剩余壁厚 如图27所示 低压蒸发器取样管的最小实测壁厚为0 36mm 远远低于管子设计时的取用壁厚2 6mm 管子壁厚已经不能满足正常工况运行要求 图28中为管子取样金相组织 为铁素体 珠光体 金相组织正常 流动加速腐蚀 fac 图27 图28 三 低压蒸发器fac腐蚀泄漏原因分析 流动加速腐蚀 fac 在扫锚电镜下 观察剖开后取样管内壁蚀坑形貌特征 如图所示 内壁蚀坑边缘呈现不规则曲线形 并连成片 经电镜能谱试验分析可知 内壁表面薄薄一层黑色物质主要元素成分为fe和o 通常认为 fe和o形成的化合物主要有feo fe2o3 fe3o4 其中feo不稳定 稳定的是fe2o3 fe3o4 fe2o3颜色为红褐色 黑色物质应为fe3o4 三 低压蒸发器fac腐蚀泄漏原因分析 流动加速腐蚀 fac 泄漏原因分析 1 取样管宏观形貌和金相组织特征显示 管子在运行过程中 管外壁无明显变化 管材金相组织正常 并无过热特征 管内壁受环境因素影响 消耗了管子内壁金属基体 从而形成大量蜂窝状蚀坑 且蚀坑相对较深 大大减少了管材的实际壁厚 最小壁厚为0 36mm 管子的有效承载能力降低 不能满足锅炉正常运行工况要求 最终发生泄漏 三 低压蒸发器fac腐蚀泄漏原因分析 流动加速腐蚀 fac 2 在低倍光学显微镜和扫描电镜下观察取样管特征 管子内壁存在大量蚀坑 蚀坑呈无序不规则状态连成片 边缘呈不规则曲线形 蚀坑表面存在薄薄一层fe3o4腐蚀产物 以上特征说明 管内壁金属在流动汽水介质作用下 存在fe和o的腐蚀现象发生 消耗了管材金属 导致了管材金属壁厚减薄 蚀坑表面fe3o4腐蚀产物层很薄 几乎微乎其微 受管内汽水介质环境因素影响 fe3o4腐蚀产物会渐渐溶入流体介质中 随着管子运行时间延长 管子内壁蚀坑由小变大 由浅变深 最终形成大量蜂窝状凹坑 三 低压蒸发器fac腐蚀泄漏原因分析 流动加速腐蚀 fac 3 从低压蒸发器运行工况分析 低压蒸发器管内实际运行温度约160 运行压力在0 6mpa左右 fe3o4正好处于在水中溶解度最大的温度区间 此外 泄漏点部位为低压蒸发器管内汽液两相流混合区 较易形成紊流 加快了管子局部腐蚀的发展 三 低压蒸发器fac腐蚀泄漏原因分析 流动加速腐蚀 fac 4 1号燃机的给水采用avt o 工况 只加氨水 不添加联氨 低压省煤器入口ph值控制在9 2 9 4之间 低压蒸发器的下联箱连接至低压汽包的下降管 实际进水为低压炉水 由电厂配备的低压炉水溶解氧在线化学仪表可知 低压炉水溶解氧常年低于1 g l 也即低压蒸发器内的水汽几乎不含溶解氧 为管内流动加速腐蚀提供了氧化 还原电位 orp 小于0的环境 三 低压蒸发器fac腐蚀泄漏原因分析 流动加速腐蚀 fac 5 经锅炉专业模拟计算 低压蒸发器受热面管内平均流速超过8m s 末端流速会更高 泄漏点正好位于低压蒸发器末端 此处流速存在超过10m s情况 管内流速高 相变过程剧烈 湍流程度高 加速了腐蚀速度 余热锅炉低压蒸发器区域为流动加速腐蚀 fac 高发区域 从上述运行工况分析判断 管子内壁减薄 大量蚀坑的形成应与管内发生流动加速腐蚀 fac 存在直接关系 三 低压蒸发器fac腐蚀泄漏原因分析 流动加速腐蚀 fac 结论 该热电公司1号余热炉低压蒸发器管子内壁受介质环境因素影响 发生局部流动加速 fac 腐蚀后 造成管子内壁形成大量蜂窝状蚀坑 导致管壁减薄 有效承载能力降低 最终发生泄漏 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 流动加速腐蚀 fac 流动加速腐蚀 flowacceleratedcorrosion fac 碳钢或者低合金钢管子内表面保护性氧化膜溶解到水流或者湿蒸汽中的电化学腐烛过程 它是一个由化学溶解和质量传递控制的电化学腐蚀过程 而非一个简单的物理损伤过程 在这个过程中 保护性氧化膜由于自身向边界层的溶解导致自身减薄 从而引起碳钢或者低合金钢基底的减薄 表现为管道基底表面腐蚀加速 壁厚减薄速率增快 最高腐蚀速率高达3mm yr 最终造成管子或管道突然破裂 磁铁矿膜快速溶解的过程如下 流动加速腐蚀 fac 美国电科院erp关于fac的理解 流动加速腐蚀 它是这样的一个过程 即通常附着在碳钢表面上的保护性磁性铁垢 fe3o4 保护层溶解到了流水或潮湿蒸汽的物流中 这一过程减少或消除了保护性氧化层 导致母材快速剥离 一直发展到最坏的情况发生 管道爆裂 fac过程可能十分迅速 壁厚减薄率高达0 120英寸 年 每年3mm 在火力发电厂中 金属磨损速率取决于一个受许多参数相互影响的复杂过程 其中包括 材料组成 给水化学成分 给水系统中的其它材料种类以及流体的动力学特征等 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 流动加速腐蚀 fac fac的发生过程 流动加速腐蚀的主要影响因素 a 金属材料因素 b 介质环境因素 c 水力工况因素金属材料学因素 影响最大的化学元素为cr mo cu 当cr含量达到1 0 或者是1 25 时 fac腐蚀速率的减缓将会达到25倍 含铬材料已经被广泛证明是防止fac损坏最有效的直接措施 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 流动加速腐蚀 fac 金属材料因素 美国erp资料 常用耐fac合金的性能公称组分速率碳钢 速率合金钢材料 铬和钼 p111 25 cr 0 50 mo34p122 25 cr 1 00 mo6530418 cr 250 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 流动加速腐蚀 fac 金属材料因素 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 流动加速腐蚀 fac cr cu mo等元素能够降低fac速率 主要是因为铁的氧化物的溶解度不同而造成的 即所谓的选择性溶解 cr cu mo等元素的溶解性本身就比fe溶解度要低 所以就会导致溶解过程中这些合金元素会慢慢的聚集在氧化层中形成富集状态 富集状态下的cr cu mo元素就会慢慢的与fe元素反应 最终形成溶解度更低的fecr2o4与mofe2o4 而它们又沉积在氧化层中 降低了多孔氧化层中的孔隙率 这样就阻止了fe2 向外扩散 降低了fac的腐蚀速率 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 流动加速腐蚀 fac 介质环境因素 温度 ph 溶解氧量等最大的流动加速腐蚀发生的温度区间在120 到190 之间 最严重在150 郑常庄低蒸166 当ph在9 5以上时 fac腐蚀速率相对减小且基本稳定 但是 此时ph的提高却需要消耗大量的氨气 造成药品的浪费 给电厂的经济性带来负面的影响 大量富余的氨气会造成后期的精处理器工作量增大 以及寿命周期的减短 对于整个系统而言是不经济的 低蒸的介质流向含除氧功能的低压汽包 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 流动加速腐蚀 fac 在fe h20体系中溶解氧对于水中的碳钢具有腐蚀和钝化的双重作用 当水中的氧电导率大于0 30 s cm时 水中的杂质比较多 此时溶解氧在这个体系中所起的主要作用是腐蚀作用 当水中的氢电导率小于0 10us cm时 我们认为此时的水是高纯水 超临界锅炉的给水系统能够达到要求 因此有很多超临界机组启动时利用此特点加氧使整个系统钝化 流动加速腐蚀 fac 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 流动加速腐蚀 fac 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 流动加速腐蚀 fac ph值 温度与fe2 浓度关系曲线 四 流动加速腐蚀 fac 机理及影响因素 流动加速腐蚀 fac 水力因素 流通截面形状 流速 管子内工质的流速 流态影响fac发生速度介质流速 两相流区和管子弯头部位是fac易发区 增大管径 降低流速 是减缓流动加速腐蚀的一种手段 某锅炉厂设计余热锅炉时就考虑到了fac情况 给出设计值 对于碳钢管子 流速要小于5m s 对于12cr1mov钢管子 流速可以在5 16m s 上述1号余热炉低蒸流速在10m s左右 导致碳钢就腐蚀严重 联箱t11材料