失效分析：严重的垢下腐蚀导致水冷壁管氢脆失效现象

2017-11-30 10:17:19 作者：本网整理来源：腐蚀与防护分享至：

蒸汽动力热电厂装置可以提供热能和电能来驱动热脱盐工艺，例如可以驱动多级闪蒸（MSF）蒸馏装置。这些工厂通过多级闪蒸海水来生产淡水，然后收集和冷凝蒸汽产生纯净的饮用水。装置当中使用的锅炉是一种专用的水管锅炉，它能使水管保持高温状态，在进入汽轮机发电前进一步过热，液态水能迅速变成蒸汽。MSF蒸发器的多个阶段也增加了水的生产能力。

在沙特阿拉伯王国，沙特水务公司（SWCC）是一家政府公司，负责向该国的各个地区供应淡化水和电力。沙特水务公司运行的MSF工厂通过海水生产新鲜的饮用水。随着对淡水的需求不断增加，MSF工厂强制关闭期是非常有限的。为了保证MSF工厂以高水平状态的安全工作则需要高效的操作和维修保护做法。然而，SWCC公司一直存在着蒸汽/电力热电工厂的问题，特别是在故障报告中的不同锅炉管故障设施问题。

A. Meroufel，A. Al-Sahari，M. Dewan和M. Al-Hajri共同撰写了一篇文章讨论了MSF装置中的两个水壁管运行了14年之后出现锅炉的故障问题。他们对其中的一个破裂管进行失效分析，包括破坏性和非破坏性测试，以确定失效的根本原因。根据SWCC工厂主管部门提供的数据进行评估给水，桶装水和新鲜蒸汽质量，最终得出结论：水壁管失效是由于严重的垢下腐蚀（UDC）引起的水壁管氢脆（HE）。

他们将氢脆定义为金属机械性能的降低现象，此现象导致在溶解氢存在下抗断裂性和亚临界开裂会降低。氢脆会严重降低敏感材料的延性和承载能力，并导致在低于屈服应力之下的金属开裂和严重的脆性失效问题。氢脆有几种存在形式，但其共同特征是在金属中施加有拉伸应力和溶解氢。

文章指出，金属合金对这种环境开裂的敏感性取决于应力、材料和环境参数之间复杂的相互作用。氢脆经常出现在高热通量，热液压流动中断和局部过热的位置。氢进入材料的路径和脆化机制极其多样化，所以应针对每一个案例进行分析。对于锅炉管，常见溶解氢来源于磁铁矿（Fe3O4）保护层的腐蚀。

实验调查的2001年MSF厂锅炉是一种重油燃烧锅炉，使用的是正压式水管，额定容量为204.68kg/s，压力为8.5 MPa，蒸汽温度523°C。失效管的外径为76mm，原始壁厚为5.6mm。它位于倾斜度约为20度的倾斜位置，靠近高传热区的燃烧器附近。

用来确定水壁管失效根本原因的技术包括目视检查、蒸汽/水沉积物分析、样品的微观结构分析、扫描电子显微镜能量色散谱（SEM-EDS）分析以及破裂表面的断裂分析。

目视检查表明，失效管具有厚边脆性破坏和390mm长的“窗口爆裂”破裂，笔者认为这是典型的氢脆现象。内部腐蚀损伤呈微红色UDC（铜与赤铁矿[Fe2O3]混合的典型特征）与管的热侧上附着的厚结垢沉积物相关，这种沉积物沿着管长的两条平行线延伸而且使50％的墙壁变薄。观察发现在水边有大量的金属铜。通常，水中的铜和镍是高压给水加热器上铜镍的设备的腐蚀产物。

水分析表明锅炉给水pH值应该控制在稳定的范围内，但锅筒水分析表明，pH多次偏向高（碱性）一侧峰值，这种现象是磷酸盐剂量问题造成的。

破坏性试验确定了水冷壁管合金的化学成分，相当于SA178C级中碳钢。

在分析失效管时进行的其他观察包括在腐蚀区域碳含量（脱碳）的轻微降低，这可能与作为传热屏障的大量沉积物相关，这会增加管金属的温度并引起局部脱碳。在一些地区存在的微裂缝，晶间裂缝和微孔清楚地表明了氢脆的参与。但无法表明氢原子再结合形成氢气分子是引起空隙和裂纹的产生的原因。

根据研究结果，笔者得出结论认为，水套管失效是由腐蚀引起的，而腐蚀是在碱性盐（苛性碱）沿着水线沉积底层并侵蚀Fe3O4保护层时发生的。当从锅炉中除去过量的水以控制水的参数时，水线的形成可能是因为管内流速低或排污率高。而钠和其他盐类的浓度产生了局部的高pH环境，当氧化剂（氧和铜）和高热通量结合时，就为Fe3O4层上严重的UDC攻击创造了条件。

海水淡化技术研究所（沙特阿拉伯朱拜勒）的NACE国际成员Meroufel认为，铜与Fe3O4和铁相比具有正电化学潜力。 Fe3O4与铜和沉积下面的浓碱溶液的结合形成了原电池，其中Fe3O4和铁作为阳极并被氧化，而铜是阴极反应的场所，加速了铜的腐蚀。

除了导致管壁局部变薄之外，UDC还会导致相当数量的氢原子被金属管吸收。由金相观察和断裂证实，吸收的氢原子沿晶界重新组合成氢气，引起微裂纹和裂纹的形成和成核。由局部UDC会引起相当大的壁厚损失，使得管壁无法承受内部高压，在HE机理作用下导致管子破裂。

尽管笔者们注意到导致管失效的原因是水管沉积物的腐蚀影响了管内表面的Fe3O4保护层，但他们确定失败的根本原因是不适当的接转控制。

他们提出了多项建议，包括：避免锅炉在低水位或过低的排污率下操作，导致倾斜管内出现水线；确定并消除铜镍合金腐蚀源；将给水中的O2水平从20ppb降低到小于10ppb，并将给水中的钠/磷比值用作腐蚀风险的指标。

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责任编辑：王元

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