Zniszczenie orurowania podgrzewacza powietrza na skutek wykraplania agresywnych roztworów związków zawartych w spalinach

Orurowanie podgrzewacza powietrza kotłów energetycznych ma za zadanie wymianę ciepła przekazywanego z zewnętrznej strony przez spaliny na rzecz powietrza cyrkulującego wewnątrz orurowania. Podgrzane powietrze przekazywane jest dalej do podgrzewania mieszanki paliwa lub innych celów technologicznych. Typowe mechanizmy niszczenia tych rur to zjawiska korozyjne i erozyjne działające na zewnętrzne powierzchnie rur.

Niskie parametry ciśnienia i temperatury powietrza nie wymagają stosowania na orurowanie podgrzewaczy specjalnych stali, ich grubość z reguły nie przekracza kilku milimetrów. W analizowanym przypadku orurowanie wykonane było początkowo ze zwykłej stali węglowej, jednak na skutek stwierdzonych uszkodzeń zastąpiono ją stalą z grupy kortenowskich, a więc o podwyższonej odporności na warunki atmosferyczne. Analiza wykazała, że zjawiska panujące w kotle nie uchroniły rur przed ich zniszczeniem pomimo zastosowania lepszego materiału, ponieważ nie rozpoznano rzeczywistych warunków działających na podgrzewacz. Bez znajomości rzeczywistych mechanizmów niszczenia nie jest możliwy optymalny dobór materiałów na urządzenia, niemożliwe jest również eliminowanie ich skutków.

Przedmiot analizy

Przedmiotem analizy było orurowanie podgrzewacza powietrza kotła fluidalnego typu CFB. Orurowanie zainstalowano w II ciągu kotła. Początkowo rury wykonane były ze zwykłej stali węglowej, jednak na skutek ich uszkodzeń rury zastąpiono nowymi, wykonanymi ze stali z grupy kortenowskich. Wymiana rur nie była poprzedzona dogłębną analizą, nie zbadano agresywności środowiska, w jakich pracują. Dzięki zawartości pierwiastków stopowych, takich jak: miedź, chrom, fosfor i nikiel, stal kortenowska jest z założenia materiałem o podwyższonej odporności na korozję atmosferyczną. Niestety nowe rury już po roku eksploatacji wykazywały podobne zniszczenie. Nieszczelności wystąpiły głównie w okolicach przejścia rur przez ścianę (rys.1). Z uwagi na powyższe zdecydowano się wykonać badania mające na celu wskazanie mechanizmu niszczenia rur oraz weryfikację czy materiał odpowiada wymaganiom normy.

Rys. 1 Ubytki korozyjne rur w okolicy przejścia rur przez ścianę.

Rys. 1 Ubytki korozyjne rur w okolicy przejścia rur przez ścianę.

Do badań pobrano kilka wycinków rur i poddano je szczegółowym oględzinom, na podstawie których wytypowano fragmenty, które następnie poddano badaniom chemicznym i materiałowym. Na dostarczonych do badań rurach zaobserwowano punktowe i wzdłużne ubytki korozyjne występujące na zewnętrznej powierzchni rur (rys. 2–4). Ubytki te były miejscami głębokie i występowały na całym obwodzie (rys. 5).

Rys. 2 Punktowe i wzdłużne ubytki korozyjne na zewnętrznej powierzchni rury.

Rys. 2 Punktowe i wzdłużne ubytki korozyjne na zewnętrznej powierzchni rury.

Rys. 3 Fragment rury po usunięciu osadu z zewnętrznej powierzchni. Punktowe i wzdłużne ubytki korozyjne na zewnętrznej powierzchni rury.

Rys. 3 Fragment rury po usunięciu osadu z zewnętrznej powierzchni. Punktowe i wzdłużne ubytki korozyjne na zewnętrznej powierzchni rury.

Rys. 4 Przekrój poprzeczny rury. Widoczne ubytki korozyjne na zewnętrznej powierzchni rury.

Rys. 4 Przekrój poprzeczny rury. Widoczne ubytki korozyjne na zewnętrznej powierzchni rury.

Wyniki badań materiałowych

Badania mikroskopowe materiału wykazały, że materiał rury posiada strukturę ferrytyczno-perlityczną z niewielką ilością perlitu. Struktura wykazuje wyraźną pasmowość (rys. 5 i 6). Na zewnętrznej powierzchni rury oprócz głębokich wżerów korozyjnych występują mikrowżery, których głębokość wynosi 0,15÷0,60 mm (rys. 7 i 8).

Rys. 5 Materiał rury. Struktura ferrytyczno-perlityczna o wyraźnej pasmowości z małym udziałem perlitu.

Rys. 5 Materiał rury. Struktura ferrytyczno-perlityczna o wyraźnej pasmowości z małym udziałem perlitu.

Rys. 6 Materiał rury. Struktura ferrytyczno-perlityczna o wyraźnej pasmowości z małym udziałem perlitu.

Rys. 6 Materiał rury. Struktura ferrytyczno-perlityczna o wyraźnej pasmowości z małym udziałem perlitu.

Rys. 7 Zewnętrzna powierzchnia rury. Wżer korozyjny o głębokości ok. 0,60 mm.

Rys. 7 Zewnętrzna powierzchnia rury. Wżer korozyjny o głębokości ok. 0,60 mm.

Rys. 8 Zewnętrzna powierzchnia rury. Wżer korozyjny o głębokości ok.0,35 mm.

Rys. 8 Zewnętrzna powierzchnia rury. Wżer korozyjny o głębokości ok.0,35 mm.

Wyniki badań materiałowych i ich porównanie z własnościami wymaganymi wg normy EN-10025-5 dla stali klasy COR-TEN oraz danymi zawartymi w ateście materiałowym zamieszczono w tabeli 1. Wytrzymałość i granica plastyczności materiału rury nieznacznie przewyższa wartości podane w ateście, a wydłużenie względne jest nieco niższe. Kontrola składu chemicznego materiału nie wykazała żadnych nieprawidłowości. Na podstawie badań materiałowych stwierdzono, że na orurowanie zastosowano materiał zgodny z atestem, a zatem wyeliminowano pierwotne podejrzenie, że orurowanie ulega niszczeniu z powodu nieodpowiedniej jakości zastosowanego materiału bądź też zastosowany materiał nie odpowiada dostarczonym atestom.

Tabela 1. Porównanie wyników badań mechanicznych z własnościami wymaganymi wg EN-10025-5 dla stali klasy COR-TEN oraz danymi zawartymi w ateście materiałowym. ( ) – własności potwierdzone atestem.

Tabela 1 Porównanie wyników badań mechanicznych z własnościami wymaganymi wg EN-10025-5 dla stali klasy COR-TEN oraz danymi zawartymi w ateście materiałowym. ( ) – własności potwierdzone atestem.

Wyniki badań korozyjnych

Poniżej podano analizę wyników badań korozyjnych. Odczyn pH wyciągu wodnego z osadu na zewnętrznej powierzchni rur jest zasadowy pH 7,34÷8,88. Dominującymi składnikami osadu łatwo rozpuszczalnymi w wodzie są związki siarki i chloru. Spośród składników osadu trudno rozpuszczalnych w wodzie największe zawartości dotyczą związków żelaza – ok. 66,3÷82,55% w przeliczeniu na Fe3O4 (produkty korozji), związki wapnia – ok. 5,16÷13,48% w przeliczeniu na CaO, związki krzemu – ok. 6,23÷14,12% w przeliczeniu na SiO2 oraz związki siarki – ok. 2,23÷3,20% w przeliczeniu na SO3. Na dolnym półobwodzie (poziomej) rury podgrzewacza zalegały osady zgromadzone w okresie eksploatacji. Powstanie warstwy osadów miało związek z wykraplaniem się w fazie rozruchu kotła pary wodnej zawartej w przepływającym powietrzu i wiążącej pyły (popioły) niesione wraz z powietrzem.

Tabela 2 Zawartość i stężenia powierzchniowe niektórych składników osadu na zewnętrznej powierzchni rur po sporządzeniu wyciągu wodnego.

Tabela 2 Zawartość i stężenia powierzchniowe niektórych składników osadu na zewnętrznej powierzchni rur po sporządzeniu wyciągu wodnego.

Tabela 3 Stężenia powierzchniowe niektórych składników osadu na zewnętrznej powierzchni rur łatwo rozpuszczalnych w wodzie (wyciąg wodny).

Tabela 3 Stężenia powierzchniowe niektórych składników osadu na zewnętrznej powierzchni rur łatwo rozpuszczalnych w wodzie (wyciąg wodny).

Określenie przyczyn awarii i rozwiązanie problemu

Badania materiałowe potwierdziły zgodność zastosowanego materiału z atestem producenta. Charakter uszkodzeń korozyjnych na poddanej badaniom zewnętrznej powierzchni rurki podgrzewacza powietrza wskazywał na wykraplanie się ze spalin w trakcie eksploatacji kotła roztworów związków o dużej agresywności korozyjnej. Wykraplanie się tych związków (najprawdopodobniej roztworów kwasu siarkowego i solnego) następowało w wyniku przekroczenia punktu rosy spalin w tym rejonie podgrzewacza.

Analiza wyciągu wodnego z osadów znajdujących się na zewnętrznej powierzchni badanej rury wykazała, że składniki osadu i produkty korozji aktualnie nie wykazują agresywności korozyjnej w warunkach znacznego zawilgocenia. Może to wskazywać na to, że przekraczanie punktu rosy spalin miało miejsce we wcześniejszym okresie eksploatacji kotła, a powstałe wówczas związki agresywne korozyjnie w późniejszym okresie eksploatacji zostały zneutralizowane przez inne składniki popiołu (najprawdopodobniej związki wapnia).

Nie wykluczało to możliwości, że w innych obszarach podgrzewacza neutralizacja agresywności korozyjnej osadów i produktów korozji może być mniejsza. Ponadto występujące zagrożenie awarią tego rejonu podgrzewacza związane może być również z nadmiernym pocienieniem ścianek rur przez już istniejące ubytki korozyjne. Charakter tych ubytków nie pozwalał na przeprowadzenie kontrolnych pomiarów grubości ścianek rur. Dlatego wskazana była wymiana wszystkich rur wykazujących podobne uszkodzenia korozyjne. Zdecydowano się jednak, po analizie powyższych wniosków, wyeliminować nieszczelności poprzez wbicie w dolne pakiety rur wykonanych ze stali kwasoodpornej. Rury te spełniają dobrze swoją rolę, a kontrola po kilku latach eksploatacji nie wykazała niszczenia tych rur.

Podsumowanie

Zaprezentowany przykład pokazuje, że rzeczywiste warunki pracy urządzeń mogą się różnić od warunków zakładanych na etapie projektowania. Może to wynikać z błędnych założeń, ale trzeba również zawsze brać pod uwagę fakt, iż warunki pracy w trakcie eksploatacji mogą się w sposób nieprzewidywalny zmienić. Błędne założenia lub nieoczekiwana zmiana warunków pracy mogą spowodować, że niszczenie będzie następowało w krótkim czasie i może się wiązać z uciążliwymi awariami. Z drugiej strony względy ekonomiczne warunkują rodzaj stosowanych materiałów, dlatego konieczna jest optymalizacja w doborze materiałów. Dobre rozpoznanie mechanizmów niszczenia działających na urządzenia pozwala wyeliminować błędy projektowe. W analizowanym przypadku niszczenie miało charakter korozyjny na skutek wykraplania się silnie agresywnych związków. Aby zapobiegać tego typu uszkodzeniom, konieczne jest ciągłe monitorowanie temperatury spalin w tym rejonie podgrzewacza powietrza i utrzymanie temperatury spalin na poziomie uniemożliwiającym przekroczenie punktu rosy bądź też zastosowanie na orurowanie materiałów posiadających odpowiednią odporność na działanie kwasów. Wykonana analiza przyczyn awarii w niniejszym przypadku pozwoliła na trafne określenie mechanizmu niszczenia rur, czego dowodem jest fakt, iż na nowych rurach nie stwierdza się żadnych uszkodzeń oraz optymalizację kosztów związanych z wymiana orurowania.

Autor: Jasiński Artur, ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Chemii i Diagnostyki

Fot., rys.: ENERGOPOMIAR Sp. z o.o.

Literatura:

  1. Bielikowski W., Jasiński A., Kwiecień M.: Sprawozdania oraz wyniki prac pomiarowych i badawczych, opracowania „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki, Gliwice 2009−2012 (niepubl.).

Artykuł ukazał się w czasopiśmie „Industrial Monitor” nr 1/2014.