随着生活垃圾焚烧发电技术的发展,机械炉排焚烧炉逐渐成为发电企业的首选。
某单位1号炉使用的炉排形式为马丁SITY2000型生活垃圾焚烧炉,为逆推炉排。该炉排在投入运行17440h后,其炉排片存在不同程度的腐蚀,并出现了炉排片发生穿孔的现象。
为避免和防止同类失效的再次发生,笔者采用相关技术手段对该穿孔炉排片进行了检验和分析,以查明其穿孔失效的具体原因,为今后机组的安全运行提供相关依据和指导。
理化检验
1 宏观检查
对失效炉排片进行宏观检验,其宏观形貌如图1所示。由图1可见,失效炉排片外壁表面存在大量疏松分层的腐蚀产物,腐蚀产物与基体结合松散,轻敲可见块状脱落,且部分区域已腐蚀穿孔,穿孔处炉排片厚度明显减薄。
图1 失效炉排片表面宏观形貌
2 化学成分分析
依据DL/T 991-2006《电力设备金属光谱技术导则》进行化学成分分析,结果见表1,从成分来看,失效炉排片材料应为高铬白口铸铁。
表1 失效炉排片化学成分(质量分数)
3 金相检验
根据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》分别在失效炉排片穿孔处和远离穿孔处切取金相试样,经磨制、抛光和FeCl3盐酸溶液侵蚀后,在金相显微镜下观察。
图2失效炉排片穿孔处金相组织图片图2为失效炉排片穿孔处的显微组织形貌,可见外壁有厚约0.91mm的腐蚀层。失效炉排片穿孔处基体显微组织为珠光体、马氏体和残留奥氏体,其上分布着共晶莱氏体及碳化物,部分马氏体已自回火。
图3 失效炉排片远离穿孔处金相组织图片图3为失效炉排片远离穿孔处的显微组织形貌,可见外壁有厚约0.16mm的腐蚀层。失效炉排片远离穿孔处基体显微组织为珠光体、马氏体和残余奥氏体,其上分布着共晶莱氏体及碳化物,部分马氏体已自回火。
比较图2和图3可知:图2穿孔处显微组织相对于远离穿孔处的老化更严重,而远离穿孔处显微组织更加接近与正常高铬白口铸铁的铸态组织。
图4 穿孔处显微组织背散射电子像
图5 穿孔处显微组织背散射电子像能谱线扫描结果
图6 远离穿孔处显微组织背散射电子像能谱线扫描结果
由图4-图6可知,晶界处的Cr、C含量比晶内的高,说明Cr元素在晶界处富集并生成Cr的碳化物,可能是Cr3C6。Cr元素的偏析一方面使得晶界与晶内形成原电池,加速了组织在高温环境下的腐蚀行为;另一方面使得金属材料表面很难形成致密的Cr2O3氧化膜,无法阻止金属材料在高温、腐蚀性环境中的腐蚀行为。
由图5和图6可知,穿孔处组织晶界处的贫Cr情况比远离穿孔处的更加严重,使得穿孔处组织更容易被腐蚀。
4 炉排片腐蚀产物分析
由图7a)可见,失效炉排片外壁腐蚀产物疏松分层,腐蚀层存在撕裂脱落的趋势。能谱分析结果显示,外壁表面腐蚀层部位,除检测到Fe、O、Cr元素外,还检测到含量较高的S、Cl等腐蚀性元素以及一定量的K、Ca、Na等元素。
图7失效炉排片外壁表面腐蚀产物SEM形貌及EDS谱
5 布氏硬度分析
依据GB/T 231.1-2009《金属材料 布氏硬度试验 第1部分:试验方法》进行试验,结果见表2。可见,远离穿孔处组织的硬度高于穿孔处的。
表2 硬度试验结果
综合分析
由以上理化检验结果可知,失效炉排片外壁腐蚀严重,表面存在大量的腐蚀产物,壁厚存在减薄,且局部出现穿孔。通过对外壁表面腐蚀产物进行X射线能谱分析发现,外壁腐蚀产物中除检测到Fe、O、Cr元素外,还检测到含量较高的Cl、S等腐蚀性元素,以及一定量的K、Na和Ca等元素。
该炉排片在运行过程中接触到Cl、S等腐蚀性元素,这与焚烧含Cl、S的塑料等垃圾有很大关系。一方面,垃圾焚烧后产生大量的HCl或Cl2气体,HCl溶于炉排外壁表面的氧化层中,破坏外表面的氧化膜和金属;同时,烟气中的Cl2也具有很强的氧化性,能够与炉排片金属及氯化物发生反应。另一方面,S元素的存在也会加速炉排外壁的腐蚀,S会以气态的SO2和SO3与HCl共同侵蚀金属外壁,或者与燃料中金属元素Na、K、Ca等反应生成硫酸盐或硫化物,沉积在外壁,直接与炉排片外壁发生腐蚀反应。
另外,根据电厂提供资料可知,1号机组在运行时冷却风量不足,易造成炉排片温度过高,加速Cl、S等腐蚀性元素与炉排片发生高温腐蚀反应。
最后,炉排片穿孔处显微组织中边缘珠光体区域更多,晶粒色泽更深,向内的马氏体和残余奥氏体组织更少。因此相对于远离穿孔处的组织来说,穿孔处组织更容易被腐蚀,成为腐蚀环节最薄弱的部位。
炉排片外壁在高温、腐蚀性环境作用下发生各种腐蚀反应形成的腐蚀产物呈疏松状态,在高温烟气的快速冲刷下不断脱落,导致炉排片壁厚不断减薄,最后在薄弱部位即穿孔部位优先发生腐蚀穿孔失效。
结论及建议
机组运行时冷却风量不足,以及焚烧垃圾中的Cl、S等腐蚀性元素共同导致炉排片在Cr元素偏析位置发生高温腐蚀反应,腐蚀产物在高温烟气的快速冲刷下不断脱落,使炉排片壁厚不断减薄,最后在薄弱部位优先发生腐蚀穿孔失效。
建议加强运行控制,缓解锅炉结焦和积灰,避免炉排片因局部受热不均导致温度过高;另在机组运行时应确保冷却风量充足,降低炉排片发生高温腐蚀的风险。
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