嘉興發電廠二期工程化學補給水系統兩套板框式316不銹鋼換熱管在短時間內相繼損壞失效,在對換熱器運行條件、失效宏觀特征、腐蝕產物特征和材料化學成分的分析后,得出了應力腐蝕破裂的結論,并提出了相應的防范措施。

嘉興發電廠二期工程化學補給水系統配有2×130t/h反滲透預脫鹽系統和離子交換系統,為鍋爐提供高質量的除鹽水,在反滲透系統前配套設計了機械過濾器對反滲透進水進行混凝和過濾,工藝流程如下:

補給水系統于2004年9月投運,于2004年12月發現開始泄漏,兩套板框式316不銹鋼換熱管在短時間相繼損壞失效,使反滲透系統正常制水受到影響,究竟是什么原因導致換熱器短時間內發生失效報廢呢?我們在分析換熱器運行條件、失效宏觀特征、腐蝕產物特征和材料化學性能的基礎上,分析了不銹鋼換熱管應力腐蝕成因,得出了應力腐蝕斷裂的結論。并提出了相應的防范措施。

1設備運行工況簡介

失效換熱器在除鹽系統中起著加熱反滲透進水的作用。換熱器為板式結構,加熱源為機組的輔助蒸汽,經過減溫減壓裝置后,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,一側走汽,另一側走水,運行過程中水壓大約在0.5～0.6MPa,進水溫約為0～15℃,加熱后出水水溫小于等于25℃。水側與汽側之間通過橡膠圈進行密封隔離,水側的水為原水預處理后的出水,原水預處理通過采用原水加入聚合氯化鋁進行混凝、澄清處理,并在預處理后還加入了次氯酸鈉進行殺菌消毒,原水氯離子含量全年平均大約在80～130mg/L,經過預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。可以看出,水側的氯離子的含量遠遠高于汽側的氯離子含量。

2不銹鋼換熱管失效特征及腐蝕產物分析

對失效不銹鋼換熱管加熱板進行外觀檢查發現,加熱板汽側整體呈銀灰色,換熱器水側和汽側進口的波紋板處均有少量白色水垢沉積物,水垢很硬,垢下存

在腐蝕點以及裂紋,裂紋是從汽側開始發展的,裂紋呈樹枝狀,最長一條約35mm。宏觀形貌見圖1。并拌有局部點蝕存在,汽側中部也均勻地分布著蝕點和縫隙腐蝕溝,深度大約在1mm;而加熱板的水側整體的顏色成淡淡的水銹黃色,水側整體沒有腐蝕點。汽側加熱波紋板腐蝕形貌見圖2。

對失效的加熱器板,委托機械工業材料質量檢測中心進行了金相檢驗和化學成分分析。分析報告提供的腐蝕產物成分為: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含量已經超出其他非金屬元素的含量,為主要腐蝕產物。金相檢驗提供的應力腐蝕斷裂形貌見圖3,從圖中可以看出:裂紋為穿晶、沿晶混合型,裂紋起源于點蝕坑。

3奧氏體不銹鋼換熱管的應力腐蝕原理

不銹鋼換熱管材料在拉應力和腐蝕性介質的聯合作用下,可發生應力腐蝕開裂(stress corrosion crack 2ing)。奧氏體不銹鋼化學性能優良,但在氯化物存在時的抗應力腐蝕性能較差。工作介質溫度的不同,使得奧氏體不銹鋼對氯化物含量的敏感程度也不同,根據316不銹鋼的腐蝕曲線,在含氯水的腐蝕介質中,氯離子濃度達到130mg/L,其引發應力腐蝕的臨界溫度是80℃。一般來說,應力腐蝕主要是通過破壞不銹鋼表面的鈍化膜而導致的,因為氯離子能對不銹鋼表面鈍化膜起到強烈的活化作用,當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,進而成為針孔狀的點蝕坑(pitting corrosion),加上坑內介質中的Cl-在溫度較高時濃縮,介質酸度增加,更加速了金屬的腐蝕進程,蝕孔的尖端可擴展為裂紋,為應力腐蝕的產生留下源頭。當局部介質中的氯離子含量達到一定濃度,蒸汽溫度較高,并且存在應力集中時,就會導致應力腐蝕斷裂的發生。

4熱交換器的應力腐蝕成因分析

4.1汽側氯離子含量增高

正常工況下汽側蒸汽氯離子含量并不高,約1μg/L左右。為何汽側氯離子濃度會大大增加呢?主要原因是水側介質泄漏到汽側。原水的壓力約0.5～0.6MPa,而蒸汽的壓力在0.4MPa左右,水、汽兩側壓力存在不平衡,水側和汽側通過橡皮圈進行了隔離和密封,由于加熱器進口汽溫一直高達150℃,進口處密封橡膠老化相對較快,難以避免使水側的原水進入汽側。原水的氯離子已經達到80～130mg/L,在加了混凝劑以及次氯酸鈉后,通過加熱板的水的氯離子濃度有可能更高。另外,在檢查過程中也發現汽側腐蝕坑和裂紋部位存在白色的鈣鎂水垢,表明水泄漏進汽側后,沉積在汽側進口部位,加劇了應力腐蝕源的產生。盡管水側氯離子濃度更高,但由于出水溫度不超過25℃,沒有達到導致316不銹鋼發生SCC的臨界溫度。因此,我們認為應力腐蝕源產生于汽側。

4.2應力的來源

造成應力腐蝕的應力因素,經分析討論后認為有以下幾方面:①波紋板經過冷沖壓成型后,本身存在殘余拉應力。②波紋板承受一定的壓力。③流動介質汽水側存在壓差,因此任何一側壓力的變化都會導致換熱器板的振動,使兩板接觸部位發生直接的碰磨,碰磨痕跡在換熱器板上很直觀,很有規律地反映出來。因此,我們認為加熱器板的機械振動也是造成應力腐蝕斷裂的應力因素之一。

5與一期換熱器的比較

一期工程的反滲透系統是1999年補給水系統改造后增設的,換熱器采用管式加熱結構,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,更容易出現腐蝕損壞,但加熱設備至今已經運行6～7年了卻未發現明顯的腐蝕現象,經比較分析后認為,主要是加熱器結構形式不同,一期采用了管式的加熱器,經歷次檢查,未發現水側向汽側發生泄漏,汽側溫度盡管較高,但氯離子濃度要低得多,水側氯離子濃度高,但溫度較低;另外管與管之間也不存在機械碰擦和摩擦,相對而言,造成應力腐蝕的條件不充分。

6結論和防范措施

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力腐蝕破裂,汽側還伴有縫隙腐蝕和點蝕。為此,我們認為應采取以下措施:

(1)杜絕汽水兩相介質間的混合:應采取措施阻止原水進入汽側。如對減壓裝置進行調整,將蒸汽的壓力調整到高于水側水壓,杜絕水進入汽側。對密封橡膠圈進行檢查,及時更換老化的密封圈。當然,對加熱器結構形式進行改造,換成管式加熱器對防止兩相介質混合是最佳的措施。

(2)在加熱器制造過程中,板材沖壓后,應進行必要的熱處理以消除自身的應力。可以考慮選用雙相不銹鋼代替316不銹鋼。

(3)調整換熱器板與板之間的間隙,避免板之間的機械碰擦,減少機械振動應力。

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

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