嘉兴发电厂二期工程化学补给水系统两套板框式316不锈钢换热管在短时间内相继损坏失效,在对换热器运行条件、失效宏观特征、腐蚀产物特征和材料化学成分的分析后,得出了应力腐蚀破裂的结论,并提出了相应的防范措施。
嘉兴发电厂二期工程化学补给水系统配有2×130t/h反渗透预脱盐系统和离子交换系统,为锅炉提供高质量的除盐水,在反渗透系统前配套设计了机械过滤器对反渗透进水进行混凝和过滤,工艺流程如下:
补给水系统于2004年9月投运,于2004年12月发现开始泄漏,两套板框式316不锈钢换热管在短时间相继损坏失效,使反渗透系统正常制水受到影响,究竟是什么原因导致换热器短时间内发生失效报废呢?我们在分析换热器运行条件、失效宏观特征、腐蚀产物特征和材料化学性能的基础上,分析了不锈钢换热管应力腐蚀成因,得出了应力腐蚀断裂的结论。并提出了相应的防范措施。
1设备运行工况简介
失效换热器在除盐系统中起着加热反渗透进水的作用。换热器为板式结构,加热源为机组的辅助蒸汽,经过减温减压装置后,加热用汽的温度下降到150℃左右,压力大约在0.3～0.4MPa,加热器的薄板采用了316不锈钢(0Cr17Ni12Mo2)的波纹板,板厚度为1mm左右,一侧走汽,另一侧走水,运行过程中水压大约在0.5～0.6MPa,进水温约为0～15℃,加热后出水水温小于等于25℃。水侧与汽侧之间通过橡胶圈进行密封隔离,水侧的水为原水预处理后的出水,原水预处理通过采用原水加入聚合氯化铝进行混凝、澄清处理,并在预处理后还加入了次氯酸钠进行杀菌消毒,原水氯离子含量全年平均大约在80～130mg/L,经过预处理后的氯离子含量水平更高。而加热蒸汽中氯离子则在1μg/L左右。可以看出,水侧的氯离子的含量远远高于汽侧的氯离子含量。
2不锈钢换热管失效特征及腐蚀产物分析
对失效不锈钢换热管加热板进行外观检查发现,加热板汽侧整体呈银灰色,换热器水侧和汽侧进口的波纹板处均有少量白色水垢沉积物,水垢很硬,垢下存
在腐蚀点以及裂纹,裂纹是从汽侧开始发展的,裂纹呈树枝状,最长一条约35mm。宏观形貌见图1。并拌有局部点蚀存在,汽侧中部也均匀地分布着蚀点和缝隙腐蚀沟,深度大约在1mm;而加热板的水侧整体的颜色成淡淡的水锈黄色,水侧整体没有腐蚀点。汽侧加热波纹板腐蚀形貌见图2。
对失效的加热器板,委托机械工业材料质量检测中心进行了金相检验和化学成分分析。分析报告提供的腐蚀产物成分为:O、Mg、Si、Mo、S、Cl、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni。其中O为16.16%、S为3 1 31%、Cl为16.68%,从中可知,Cl含量已经超出其他非金属元素的含量,为主要腐蚀产物。金相检验提供的应力腐蚀断裂形貌见图3,从图中可以看出:裂纹为穿晶、沿晶混合型,裂纹起源于点蚀坑。
3奥氏体不锈钢换热管的应力腐蚀原理
不锈钢换热管材料在拉应力和腐蚀性介质的联合作用下,可发生应力腐蚀开裂(stress corrosion crack 2ing)。奥氏体不锈钢化学性能优良,但在氯化物存在时的抗应力腐蚀性能较差。工作介质温度的不同,使得奥氏体不锈钢对氯化物含量的敏感程度也不同,根据316不锈钢的腐蚀曲线,在含氯水的腐蚀介质中,氯离子浓度达到130mg/L,其引发应力腐蚀的临界温度是80℃。一般来说,应力腐蚀主要是通过破坏不锈钢表面的钝化膜而导致的,因为氯离子能对不锈钢表面钝化膜起到强烈的活化作用,当氯离子吸附在不锈钢的薄弱部位取代O 2-,使钝化膜遭到破坏,局部形成闭塞电池,进而成为针孔状的点蚀坑(pitting corrosion),加上坑内介质中的Cl-在温度较高时浓缩,介质酸度增加,更加速了金属的腐蚀进程,蚀孔的尖端可扩展为裂纹,为应力腐蚀的产生留下源头。当局部介质中的氯离子含量达到一定浓度,蒸汽温度较高,并且存在应力集中时,就会导致应力腐蚀断裂的发生。
4热交换器的应力腐蚀成因分析
4.1汽侧氯离子含量增高
正常工况下汽侧蒸汽氯离子含量并不高,约1μg/L左右。为何汽侧氯离子浓度会大大增加呢?主要原因是水侧介质泄漏到汽侧。原水的压力约0.5～0.6MPa,而蒸汽的压力在0.4MPa左右,水、汽两侧压力存在不平衡,水侧和汽侧通过橡皮圈进行了隔离和密封,由于加热器进口汽温一直高达150℃,进口处密封橡胶老化相对较快,难以避免使水侧的原水进入汽侧。原水的氯离子已经达到80～130mg/L,在加了混凝剂以及次氯酸钠后,通过加热板的水的氯离子浓度有可能更高。另外,在检查过程中也发现汽侧腐蚀坑和裂纹部位存在白色的钙镁水垢,表明水泄漏进汽侧后,沉积在汽侧进口部位,加剧了应力腐蚀源的产生。尽管水侧氯离子浓度更高,但由于出水温度不超过25℃,没有达到导致316不锈钢发生SCC的临界温度。因此,我们认为应力腐蚀源产生于汽侧。
4.2应力的来源
造成应力腐蚀的应力因素,经分析讨论后认为有以下几方面:①波纹板经过冷冲压成型后,本身存在残余拉应力。②波纹板承受一定的压力。③流动介质汽水侧存在压差,因此任何一侧压力的变化都会导致换热器板的振动,使两板接触部位发生直接的碰磨,碰磨痕迹在换热器板上很直观,很有规律地反映出来。因此,我们认为加热器板的机械振动也是造成应力腐蚀断裂的应力因素之一。
5与一期换热器的比较
一期工程的反渗透系统是1999年补给水系统改造后增设的,换热器采用管式加热结构,加热管的材料是不锈钢管(为1Cr18Ni9 Ti),加热的水源同二期一致,汽源也基本相同。单纯从材料化学性能上比较,这种不锈钢比316不锈钢耐氯性能要差,更容易出现腐蚀损坏,但加热设备至今已经运行6～7年了却未发现明显的腐蚀现象,经比较分析后认为,主要是加热器结构形式不同,一期采用了管式的加热器,经历次检查,未发现水侧向汽侧发生泄漏,汽侧温度尽管较高,但氯离子浓度要低得多,水侧氯离子浓度高,但温度较低;另外管与管之间也不存在机械碰擦和摩擦,相对而言,造成应力腐蚀的条件不充分。
6结论和防范措施
从以上分析可以得出:不锈钢换热管损坏的直接原因是氯离子引起的应力腐蚀破裂,汽侧还伴有缝隙腐蚀和点蚀。为此,我们认为应采取以下措施:
(1)杜绝汽水两相介质间的混合:应采取措施阻止原水进入汽侧。如对减压装置进行调整,将蒸汽的压力调整到高于水侧水压,杜绝水进入汽侧。对密封橡胶圈进行检查,及时更换老化的密封圈。当然,对加热器结构形式进行改造,换成管式加热器对防止两相介质混合是最佳的措施。
(2)在加热器制造过程中,板材冲压后,应进行必要的热处理以消除自身的应力。可以考虑选用双相不锈钢代替316不锈钢。
(3)调整换热器板与板之间的间隙,避免板之间的机械碰擦,减少机械振动应力。
(4)定期对加热器汽侧凝结水进行氯离子含量分析查定,掌握加热蒸汽氯离子变化,以便及时处理。同时,杜绝汽水管道中通高硬度的水,防止结垢,造成垢下腐蚀。
(5)优化换热器前加药工艺的设计,如将凝聚剂和次氯酸钠加药点的位置移到加热器后,并在加药点处增加混合器,以保证药剂有充分的时间混合,充分反应,减少加热原水的氯离子含量。
