本文對(duì)火力發(fā)電廠凝汽器換熱管發(fā)生穿孔腐蝕泄漏的原因進(jìn)行了研究與分析，發(fā)現(xiàn)了循環(huán)水水質(zhì)變化對(duì)于換熱管的腐蝕速率影響較大，說(shuō)明了當(dāng)前在循環(huán)水水質(zhì)較為惡劣的條件下，凝汽器換熱管材質(zhì)的升級(jí)對(duì)于應(yīng)對(duì)腐蝕的重要性，提出凝汽器換熱管的改造的推薦方案和技術(shù)。

1 前言

華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司一期建設(shè)2臺(tái)600MW超臨界機(jī)組，汽輪機(jī)是哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司與三菱公司合作設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CLN600-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)。凝汽器4個(gè)水室內(nèi)共有42508根換熱管，換熱管材質(zhì)為T(mén)P304不銹鋼。#1機(jī)組于2004年11月通過(guò)了168h試運(yùn)，投入商業(yè)運(yùn)行。

2 事件經(jīng)過(guò)

2015年10月1日#1機(jī)組C級(jí)檢修，檢修施工隊(duì)伍負(fù)責(zé)#1凝汽器換熱管清洗工作。此項(xiàng)工作要求施工隊(duì)伍對(duì)換熱管以高壓水沖洗方式進(jìn)行清洗處理，10月28日換熱管清洗工作結(jié)束，甲方對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行三級(jí)驗(yàn)收，由于換熱管積垢嚴(yán)重，高壓水沖洗未能徹底除垢，第一次驗(yàn)收未通過(guò)。該施工隊(duì)伍進(jìn)行第二次高壓水清洗工作，效果不明顯，為通過(guò)驗(yàn)收，該公司沒(méi)有按照甲方要求繼續(xù)用高壓水沖洗，如積垢無(wú)法徹底清除，就不再進(jìn)行沖洗工作的要求，施工隊(duì)伍在未征得甲方同意的情況下擅自改變作業(yè)方式，用自制鋼絲工具在換熱管內(nèi)來(lái)回進(jìn)行摩擦除垢。11月6日凝汽器高壓水沖洗工作結(jié)束，進(jìn)行第二次驗(yàn)收，驗(yàn)收通過(guò)。11月7日16時(shí)對(duì)#1機(jī)組凝汽器汽側(cè)進(jìn)行注水查漏工作。18時(shí)左右發(fā)現(xiàn)#1機(jī)組高背壓凝汽器固定端水室換熱管大面積漏水。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)清點(diǎn)，從固定端到擴(kuò)建端4個(gè)水室經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)注水查漏及西安熱工院渦流檢測(cè)發(fā)現(xiàn)泄漏的換熱管數(shù)量分別為1180根、90根、14根、13根，共計(jì)1297根。經(jīng)過(guò)對(duì)部分換熱管進(jìn)行取樣分析。將其中一根腐蝕泄漏的凝汽器管(#1樣管)沿縱向截面剖開(kāi)直管，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁局部殘留有較厚的垢層，光亮處有1個(gè)肉眼可見(jiàn)的腐蝕穿孔，具體情況見(jiàn)圖1。圖1中A為內(nèi)壁水側(cè)視圖，B為汽側(cè)視圖，腐蝕孔徑約0.7mm，水側(cè)腐蝕口比較規(guī)則，汽側(cè)腐蝕口不是很規(guī)則，基本可判斷腐蝕從水側(cè)開(kāi)始發(fā)展，直至穿孔。

將在另外一根凝汽管樣(#2樣管)沿縱向截面剖開(kāi)后，內(nèi)壁局部殘留有少量垢層，同時(shí)發(fā)現(xiàn)有1個(gè)肉眼可見(jiàn)的未穿透腐蝕坑，見(jiàn)圖2，腐蝕坑直徑約0.9mm。

3 原因分析

一期工程循環(huán)水水源設(shè)計(jì)為地下水，運(yùn)行初期地下水的水質(zhì)如表1。

循環(huán)水的運(yùn)行方式為循環(huán)水旁流處理+加循環(huán)水阻垢劑處理方式，循環(huán)水的濃縮倍率設(shè)計(jì)為4.4—6.0倍。隨著時(shí)間的推移，近年來(lái)地下水的水質(zhì)有所惡化，水中的氯離子有所增加，2013年地下水氯離子含量較2006年增加了230%。地下水CL-的變化趨勢(shì)如圖3所示。

隨著環(huán)保政策的變化，2014年地下水被關(guān)停，一期的循環(huán)水補(bǔ)充水源全部被改為地表水和城市中水的混合水，混合水的水質(zhì)變化情況如表2。

根據(jù)現(xiàn)在的補(bǔ)充水水質(zhì)變化，若保持設(shè)計(jì)時(shí)的濃縮倍率，即4.0到6.0倍，循環(huán)水中的CL-就要接近200mg/l，這樣達(dá)到設(shè)計(jì)凝汽器管材的材質(zhì)要求極限。但自2014年9月1日起，電廠實(shí)現(xiàn)了廢水零排放，所有循環(huán)水不能進(jìn)行排污，同時(shí)由于一期的反滲透膜和超濾膜裝置也超過(guò)壽命使用，脫鹽率下降導(dǎo)致循環(huán)水的水質(zhì)逐漸變差， #1、2機(jī)組在2014年全年的循環(huán)水中CL-的月平均含量變化圖4、圖5所示。

2015年隨著一期超濾膜和反滲透膜的更換，處理水量逐漸增大，使一期的循環(huán)水水質(zhì)得到一定程度的改善，#1、2機(jī)組循環(huán)水的水質(zhì)具體變化如圖6、圖7。

綜合以上分析，筆者認(rèn)為華能沁北電廠#1機(jī)組凝汽器TP304不銹鋼管腐蝕泄漏的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1)為滿足循環(huán)水系統(tǒng)零排污的要求，#1機(jī)組循環(huán)冷卻水基本不排污，而受到鍋爐補(bǔ)給水取水量變化、弱酸床出水水質(zhì)變化以及不定期補(bǔ)入中水等因素的影響，#1機(jī)循環(huán)水運(yùn)行濃縮倍率波動(dòng)范圍大，最大超過(guò)10倍，遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)運(yùn)行控制值;循環(huán)水水質(zhì)不穩(wěn)定，凝汽器換熱管出現(xiàn)明顯結(jié)垢，循環(huán)水氯離子也明顯超標(biāo)。

2)換熱管垢層與金屬表面之間的電解質(zhì)難以與外界介質(zhì)進(jìn)行對(duì)流和擴(kuò)散而形成閉塞區(qū);閉塞區(qū)內(nèi)金屬腐蝕存在自催化作用，金屬離子濃度增加，為保持電荷平衡，穿透力較強(qiáng)的氯離子不斷遷移進(jìn)入蝕孔，引起閉塞區(qū)氯離子富集而誘發(fā)點(diǎn)腐蝕。與此同時(shí)，蝕孔內(nèi)金屬氯化物發(fā)生水解，產(chǎn)生H+導(dǎo)致閉塞區(qū)pH下降，形成酸性環(huán)境，進(jìn)一步加速金屬溶解和氯離子濃縮，形成惡性循環(huán)，最終出現(xiàn)腐蝕穿孔。

3)盡管循環(huán)水中硫酸根對(duì)不銹鋼點(diǎn)腐蝕具有明顯得抑制作用，但由于不同離子穿透換熱管垢層的能力存在差異，穿透力強(qiáng)的氯離子比硫酸根離子更容易遷移進(jìn)入垢下閉塞區(qū);此外垢下硫酸鹽還原菌繁殖也會(huì)消耗硫酸鹽，因此，在閉塞區(qū)內(nèi)侵蝕性離子Cl-與緩蝕性離子SO42-濃度的比值可能會(huì)明顯升高，導(dǎo)致不銹鋼抗點(diǎn)腐蝕能力大大降低。

4)換熱管表面結(jié)垢后，因換熱效果下降而引起換熱管壁溫度升高時(shí)，腐蝕速率會(huì)加快。另一方面，金屬管壁與垢層之間的縫隙會(huì)產(chǎn)生易于細(xì)菌(主要是硫酸鹽還原菌，屬于厭氧型微生物)繁殖的濕熱環(huán)境，細(xì)菌將硫酸鹽分解為硫化氫，也會(huì)促進(jìn)閉塞區(qū)域點(diǎn)腐蝕的發(fā)展。

5)不銹鋼基體存在的非金屬夾雜物或表面缺陷，由于與基體之間存在電位差而最可能成為點(diǎn)腐蝕源，容易形成點(diǎn)蝕核心。從腐蝕區(qū)域X射線能譜分析結(jié)果來(lái)看，腐蝕區(qū)域局部有較高的Mn、Al、Si、S以及腐蝕性離子Cl等元素，顯示不銹鋼點(diǎn)腐蝕很可能是從金屬基體中存在的夾雜相部位開(kāi)始發(fā)展。

綜上所述，可以得出#1凝汽器腐蝕泄漏的主要是由循環(huán)水質(zhì)不穩(wěn)定，換熱管結(jié)垢并產(chǎn)生垢下腐蝕，換熱管材質(zhì)本身有非金屬夾雜物或表面缺陷，垢下腐蝕引起。

4 建議解決方案

按照《火電廠凝汽器管防腐防垢導(dǎo)則》要求對(duì)循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)督檢測(cè)，通過(guò)調(diào)整弱酸陽(yáng)床的出力和調(diào)整塔盆補(bǔ)水水源的方式進(jìn)行調(diào)整循環(huán)水中的氯離子含量不超過(guò)金屬材質(zhì)要求。同時(shí)要組織資金對(duì)凝汽器換熱管材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)改造，滿足循環(huán)水含鹽量不斷上升的需求。建議采取如下兩種方案進(jìn)行改造。

改造方案一：只對(duì)換熱管材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)改造，材質(zhì)為316L不銹鋼。主凝結(jié)區(qū)不銹鋼管外徑為25mm，冷卻管壁厚為0.5mm，頂部外圍和空冷區(qū)不銹鋼管外徑為25mm，冷卻管壁厚0.7mm。凝汽器布管方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變，為保證凝汽器的性能，更換凝汽器端管板，保留原有中間管板、支撐板和附件結(jié)構(gòu)。凝汽器改造后冷卻面積為38000m2。

改造方案二：只保留凝汽器殼體，采用新型布管方式，對(duì)換熱管材質(zhì)升級(jí)為316L不銹鋼，主凝結(jié)區(qū)不銹鋼管外徑為22mm，冷卻管壁厚為0.5mm;頂部外圍和空冷區(qū)不銹鋼管外徑為22mm，冷卻管壁厚0.7mm;適度增加冷卻管數(shù)量，以冷卻水通流面積不超過(guò)原凝汽器且冷卻面積增加約10%為宜。更換凝汽器端管板、中間管板、支撐板和附件結(jié)構(gòu)。凝汽器改造后冷卻面積為42000m2。

在循環(huán)水泵設(shè)計(jì)性能條件下，改造方案一的水阻維持不變，改造方案二的水阻有所降低，冷卻水流量也相應(yīng)的減少節(jié)能效果相對(duì)明顯。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)其他冷卻器進(jìn)行排查，對(duì)目前使用304不銹鋼材質(zhì)的設(shè)備加強(qiáng)各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)督，擇機(jī)進(jìn)行材質(zhì)升級(jí)，徹底消除水質(zhì)變化對(duì)換熱管的腐蝕。

華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司 桑秀軍 張若龍 吳 偉