超超临界压力直流炉低再管外壁的腐蚀失效研究

重庆市特种设备检测研究院 戴 勇 陈守良 北京金谷远见科技有限公司 李 晖 臧传胪 中国特种设备检测研究院 刘 杰 刘 涛

某电厂5号锅炉为东方锅炉（集团）股份有限公司生产的DG3110/26.15-II2型超超临界压力直流锅炉，燃烧方式为室燃+前后墙对冲燃烧，∏型锅炉。该炉自投产到2015年3月份累计运行小时数约1.6万h。该炉低温再热器管（以下简称低再管）为SA-213T23材质，尺寸规格为φ50.8mm×4.5mm，设计压力为6.3MPa，腐蚀区域低温再热器管最高设计平均壁温为592℃。停机检修发现距顶棚下方约7米范围内、左数第70排开始连续的29排低再管（垂直段）外壁存在较严重的腐蚀现象。对此，本文作者对该锅炉低温再热器管外壁腐蚀的原因进行分析。

1 试验方法

查阅该锅炉及低温再热器管所属系统的相关技术资料，自2013年11月至2015年3月停炉检修，低再出口段外壁壁温高于620℃的累计时长约1540小时，其中累计约20h 温度高于630℃。根据TSG 11-2020《锅炉安全技术规程》以及相关要求T23的壁温不应超过600℃，其余未发现异常情况。

对低温再热器管腐蚀严重区域进行割管取样，具体割管位置为：左数第80屏前数第2根距顶棚2300mm 处（编号为80-2）、左数第91屏前数第1根上数第1个固定块下方160mm 处（编号为91-1）、左数第93屏前数第1根距顶棚2000mm 处（编号为93-1），长度均为500mm，并进行下列试验与分析：在光学显微镜下观察组织；化学成分分析选用电感耦合等离子体原子发射光谱法；力学性能利用100kN AG-IC 材料试验机测试；采用扫描电镜及能谱仪观察和分析腐蚀层。

2 试验结果与分析

宏观检查：在腐蚀具有代表性的位置取样，管样外壁表面存在剥落且为红黑两色，如图1所示。图2所示为样管横截面，可以看出管样壁厚均匀、壁厚无明显减薄，实测壁厚最小值为3.1mm，大于最小需要壁厚2.9mm 的要求。管样内壁存在均匀致密的氧化层。

图1 样管表面局部形貌

图2 样管横截面形貌

化学成分：表1所示为管样的化学成分分析结果，可以看出管样的各元素含量均符合ASME SA-213中关于T23的规定。

表1 样管化学成分分析结果（wt%）

拉伸性能：管样拉伸性能测试结果如表2所示。可看出80-2管（即左数第80屏前数第2根管，以下同此）、91-1管、93-1管的屈服强度及抗拉强度已经低于标准的规定。

表2 样管常温力学性能测试结果

组织形貌：图3所示为样管外壁腐蚀层截面形貌。结合图1可以发现，腐蚀层红色区域的腐蚀层紧密依附在金属基体表面，保护着金属基体；黑色区域的金属晶粒的晶界宽度增大明显，存在明显腐蚀的现象，并呈现一种向金属基体内部继续发展的趋势。图4为样管金属基体组织照片。基体组织为回火贝氏体，晶界上分布着呈链状的析出物，T23低再管组织明显老化。经能谱分析，晶界处的析出物主要包含铁、碳、铬、钨等元素，均易于与碳结合形成碳化物。这说明了T23低再管壁温高于600℃，金属基体中的碳化物形成元素就会沿晶界形核长大并呈断续网状分布，明显地减弱了T23低再管的拉伸性能。

图3 外壁腐蚀层截面形貌（样管80-2）

图4 金属基体组织形貌（样管80-2）

腐蚀产物：图5所示为样管外壁腐蚀产物的SEM 照片。图5a 中红色区域的腐蚀形成物微观形貌为短杆连接的球形，主要元素为氧、铁、硅、铝等；图5b 中黑色区域的腐蚀形成物的微观形貌为团簇状，主要元素为铁、氧、铬等。通过元素面分布扫描，进一步确定了红色区域的最外层为锅炉管防锈涂层、次外层为含铁铬的氧化物，黑色区域的金属基体晶界处亦为含铁铬的氧化物。

图5 腐蚀产物SEM 照片

该防锈层的目的就是为了防止低再管在高温下被氧化腐蚀。而防锈层在高温下的线膨胀系数与低再管的金属存在差别较大，进而在二者界面产生裂纹导致剥落。这样裸露出来的低再管金属基体便继续被氧化腐蚀，氧与铁、铬结合形成黑色腐蚀区域。根据GB/T 30579-2014《承压设备损伤模式识别》，此类表面防锈层脱落导致基体金属的氧化属于腐蚀减薄损伤模式中的高温氧化腐蚀。

综上所述，该锅炉低再管的外壁防锈层在运行过程中与其金属基体产生不一致的线膨胀而剥落，金属基体裸露继续被氧化腐蚀。同时加上长时间的超温，使得低再管金属基体组织劣化、性能降低。根据GB/T 30579-2014《承压设备损伤模式识别》，该锅炉低再管外壁腐蚀的主要损伤模式是高温氧化腐蚀。

3 结语

该电厂低再管的外壁防锈层在运行过程中与其金属基体产生不一致的线膨胀而剥落，金属基体裸露继续被氧化腐蚀。同时加上长时间的超温，使得低再管金属基体组织劣化，性能降低。