Jasiński Artur ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Chemii i

Jasiński Artur
ENERGOPOMIAR Sp. z o.o.
Zakład Chemii i Diagnostyki
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
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. 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.
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. 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. 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
mechaniczne
Stal klasy COR-TEN A
S355J2WP+N
( 1.8946 )
wg EN 10025-5
Stal klasy COR-TEN B
S355J2W+N
( 1.8965 )
wg EN 10025-5
Zastosowany materiał
wg atestu
Materiał badanej
rury
Ś-6.1
Wytrzymałość
[Rm] w MPa
470÷630
470÷630
min. 380
(407÷412)
403,3÷441,8
Granica
plastyczności [Re]
w MPa
355
355
min.230
(294÷300)
323,9÷360,0
Wydłużenie
względne
[A5,65] w %
20
20
min. 35
(58÷60)
31,6
( ) – 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 1. Zawartość i stężenia powierzchniowe niektórych składników osadu na zewnętrznej powierzchni
rur po sporządzeniu wyciągu wodnego
Próbka A
Analizowany składnik
osadu
Zawartość
składników
w [mg]
w [%]
Próbka B
Stężenie
powierzchniowe
w [mg/cm2]
Osad całkowity
1147,9
100,00
17,97
Żelazo jako Fe3O4
761,0
66,29
11,91
Wapń jako CaO
154,7
13,48
Magnez jako MgO
9,2
Sód jako N2O
Krzemionka jako
SiO2
Fosforany jako P2O5
4.5
Siarczany jako SO3
Zawartość
składników
w [mg]
w [%]
Stężenie
powierzchniowe
w [mg/cm2]
2121,1
100
25,24
1751,0
82,55
20,83
2,42
109,5
5,16
1,30
0,80
0,74
23,9
1,13
0,28
0,39
0,07
4,5
0,21
0,05
162,1
14,12
2,54
132,1
6,23
1,57
8,5
0,74
0,13
19,9
0,94
0,24
36,7
3,2
0,57
47,4
2,23
0,56
Tabela 2. Stężenia powierzchniowe niektórych składników osadu na zewnętrznej powierzchni rur łatwo
rozpuszczalnych w wodzie (wyciąg wodny)
Analizowany składnik
osadu
Stężenie powierzchniowe w [mg/cm2]
Siarczany jako SO4
Próbka A
2,08
Próbka B
1,33
Chlorki jako Cl
0,24
1,13
Siarczki jako S
-2
Fluorki jako F
-
-
0,003
0,008
Korozyjność wyciągu wodnego
Odczyn pH
Przewodność
elektryczna [µS/cm]
8,88
7,34
693,0
1061,0
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.
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.).