工業(yè)鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)中汽包垢下腐蝕分析及處理方法

王哲，李金梅

(1.寶雞市質(zhì)量技術(shù)檢驗(yàn)檢測中心，陜西 寶雞 721000；2.蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 現(xiàn)象描述

垢下腐蝕是鍋爐運(yùn)行過程中常見的失效模式之一，由于腐蝕速率快，腐蝕發(fā)生在局部垢下，不易被發(fā)現(xiàn)，對鍋爐的安全運(yùn)行危害極大。在對某食品廠DZL10-1.25-A Ⅱ工業(yè)鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鍋爐水空間普遍結(jié)生0.5 ～1.0mm 的水垢，鍋筒內(nèi)壁存在嚴(yán)重的垢下腐蝕。腐蝕部位表面為潰瘍狀的腐蝕產(chǎn)物，去除腐蝕產(chǎn)物上鍋筒第一筒節(jié)蝕坑尺寸為Φ60×7.0mm，第二筒節(jié)蝕坑尺寸分別為Φ40×6.0mm、Φ45×2.8mm、Φ35×5.0mm、Φ55×4.0mm、Φ30×2.5mm，鍋筒壁實(shí)測最小厚度為8.0mm，在鍋爐強(qiáng)度計(jì)算匯總表中查得其最小需要壁厚為11.38mm，蝕坑處腐蝕深度已超過腐蝕余量，應(yīng)對汽包腐蝕部位進(jìn)行強(qiáng)度校核。該鍋爐汽包的材質(zhì)為Q245R。圖1 為鍋爐孔橋區(qū)的垢下腐蝕照片，圖2 為鍋爐筒體側(cè)壁的垢下腐蝕照片。

圖1 鍋爐汽包孔橋區(qū)腐蝕照片(a)和(b)

圖2 鍋爐汽包筒體側(cè)壁腐蝕照片(a)和(b)

2 鍋爐腐蝕原因的分析

從圖1 和圖2 可看出，該鍋爐腐蝕部位呈潰瘍狀，腐蝕坑上方有紅褐色疏松的腐蝕產(chǎn)物堆積，從腐蝕形態(tài)來看，這是典型的垢下腐蝕。垢下腐蝕的機(jī)理如下：鋼材表面有一層保護(hù)膜，在局部垢下，濃縮的鍋水pH 值增加，使保護(hù)膜被溶解。保護(hù)膜溶解后，鋼材就被裸露在高濃度的鍋水中，會(huì)發(fā)生下面一系列反應(yīng)（即氫去極化和鐵的溶解）。

（1）陽極在沉積物下OH-離子濃度較高處，其反應(yīng)是：

即鐵失去電子與高濃度的OH-離子生成如下反應(yīng)：

Fe（OH）2是不穩(wěn)定的，容易進(jìn)一步和水中某些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，稱之為腐蝕的二次過程，生成的產(chǎn)物稱為二次產(chǎn)物，即：

平常看到的腐蝕產(chǎn)物大都是這些物質(zhì)。不同比例的二價(jià)和三價(jià)鐵的氫氧化物相混合，其顏色有綠色和灰色，若全為三價(jià)鐵，則變成紅褐色氫氧化鐵沉淀。一般當(dāng)鍋爐發(fā)生堿性垢下腐蝕時(shí)，因停爐時(shí)間較長，腐蝕產(chǎn)物中的白色氫氧化亞鐵與空氣接觸氧化生成紅褐色的氫氧化鐵，即：

（2）陰極是未被沉積物覆蓋的金屬表面，其反應(yīng)是：

所以生成的氫氣沒有任何東西阻攔，可以很快進(jìn)入汽水混合物中，從而被帶走，所以陰極沒有任何微觀和宏觀變化，檢驗(yàn)時(shí)無法確定其位置。

3 腐蝕部位的檢驗(yàn)

3.1 硬度檢測

對腐蝕坑部位附近金屬進(jìn)行打磨、拋光，然后用TH140里氏硬度計(jì)進(jìn)行表面硬度檢測，硬度平均值為120HB，硬度值無異常，符合Q245R 鋼的硬度范圍，因此可以推斷垢下腐蝕部位無材質(zhì)劣化。

3.2 金相檢測

腐蝕坑所在的孔橋部位，由于長期受到高溫?zé)煔獾淖饔茫邪l(fā)生材質(zhì)劣化的可能。汽包遠(yuǎn)離火側(cè)部位，由于溫度不高，一般不會(huì)發(fā)生材質(zhì)劣化。對腐蝕坑部位和汽包遠(yuǎn)離火側(cè)部位進(jìn)行打磨、拋光，然后用4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，原位觀察金相，結(jié)果表明，這兩個(gè)部位的組織均為為鐵素體和珠光體的混合組織，鍋爐在運(yùn)行過程中，汽包腐蝕部位金屬組織基本相同，均未發(fā)生材質(zhì)劣化。圖3（a）為汽包腐蝕坑部位的金相組織照片，圖3(b)為汽包遠(yuǎn)離火側(cè)金相組織照片。

圖3 汽包腐蝕坑部位金相組織（a）和汽包遠(yuǎn)離火側(cè)金相組織（b）

3.3 磁粉檢測

由于鍋爐長期在較高壓力下運(yùn)行，汽包承受較大拉應(yīng)力，且存在堿性環(huán)境，在發(fā)生垢下腐蝕的部位，有可能進(jìn)一步發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，因此，有必要對腐蝕部位進(jìn)行表面磁粉檢測。對腐蝕坑部位進(jìn)行打磨，露出金屬光澤，采用交流磁軛法對腐蝕坑部位進(jìn)行檢測。通過磁粉檢測表明，腐蝕坑部位無表面裂紋，因此可以確定未發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

4 腐蝕部位的強(qiáng)度校核

根據(jù)2015 年頒布的《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》對工業(yè)鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)的規(guī)定：承壓部件由于嚴(yán)重腐蝕或磨損減薄，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。以下根據(jù)GB/T 16507.1 ～16507.8－2013 和GB/T 9222-2008 對鍋爐孔橋區(qū)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖4 為鍋爐鍋筒孔橋區(qū)的示意圖。由圖1 知，鍋筒孔橋區(qū)的垢下腐蝕較為嚴(yán)重，且孔橋區(qū)是筒體的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)對孔橋區(qū)的剩余壁厚進(jìn)行強(qiáng)度校核。

由圖4 知，s′為73mm，dae為52mm，兩倍橫向孔橋減弱系數(shù)為：

圖4 管孔區(qū)示意圖

s′為橫向（環(huán)向）相鄰兩孔的節(jié)距，單位mm；dae為相鄰兩孔平均當(dāng)量直徑，單位mm。

s 為縱向相鄰兩孔的節(jié)距，單位mm；dae為孔的直徑，單位mm。

對于鍋筒，許用應(yīng)力修正系數(shù)取η=0.90（爐膛煙溫大于600℃），鍋筒的許用應(yīng)力。

最高允許工作壓力[P]為1.18MPa，鍋爐的額定壓力為1.25MPa，最高允許工作壓力低于額定工作壓力，無法保證鍋爐安全運(yùn)行。因此，應(yīng)采取措施對鍋爐腐蝕缺陷部位進(jìn)行處理。

5 缺陷部位的處理

針對鍋爐的腐蝕情況，采用表面堆焊的方法對汽包腐蝕坑進(jìn)行修理。通過焊接工藝評定，對于Q245R 母材可采用J422 焊條，焊條直徑φ3.2mm，焊接電流80 ～90A。由于腐蝕坑最大深度為7.0mm，可采用多道熔焊，上下兩層焊道相互垂直。堆焊前應(yīng)將堆焊處的金屬表面的水垢清理干凈，打磨出金屬光澤。焊后將焊縫表面的焊渣和毛刺清理干凈，并將表面打磨平齊，然后進(jìn)行磁粉檢測，確認(rèn)無超標(biāo)缺陷。修理完成后，對鍋爐本體進(jìn)行水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)合格后鍋爐投入正常運(yùn)行。