典型的水冷壁氫腐蝕爆管剖析

謝億，陳紅冬，楊湘?zhèn)ィ撇?/p>

(1．湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007;2．湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南長沙 410007)

湖南省某化工企業(yè)熱電廠的3號鍋爐由武漢鍋爐集團有限公司生產(chǎn)，型號為WGZ－240/10.3－I，于1998年投入運行。近年來，該鍋爐頻發(fā)爆管，2010年8月又發(fā)生1次爆管事故。

1 試驗方法與分析

1.1 宏觀檢查

水冷壁材質(zhì)為20G，設計規(guī)格為Φ60 mm×5 mm，爆口管子表面沒有明顯的氧化皮，也無脹粗和鼓包。爆口呈天窗型，其邊沿無塑性變形，呈脆性失效特征，管內(nèi)壁存在腐蝕剝落，其中脫落嚴重部分壁厚僅1.9 mm，不到設計壁厚的40%，見圖1。管內(nèi)壁其它部位還有多處潰瘍型腐蝕剝落，腐蝕現(xiàn)象較為普遍。爆管處管壁存在明顯的分層，其組織在4%硝酸酒精的作用下呈現(xiàn)明顯顏色差異，見圖2。

圖1 爆口形貌

1.2 金相組織分析

爆口處的金相組織存在明顯的分層，見圖3(a)，管外壁側(cè)金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化1.5級，組織正常，見圖3(b)。管內(nèi)壁側(cè)顯微組織絕大部分是白色的鐵素體，幾乎沒有黑色的珠光體存在，說明管內(nèi)壁存在脫碳現(xiàn)象，見圖3(c)，脫碳嚴重區(qū)域厚度達到4.5 mm，占到設計壁厚的90%。脫碳區(qū)有黑色條狀顯微裂紋，沿著鐵素體晶界分布，見圖3(d)。這些顯微的沿晶裂紋是肉眼看不到的，它們的存在破壞了金屬晶粒之間的聯(lián)系，致使金屬的強度和塑性降低〔1〕。

1.3 力學性能試驗

在爆口向火側(cè)取1組試樣進行拉伸試驗。試驗發(fā)現(xiàn)1－1樣品斷裂位置存在內(nèi)壁缺陷，見圖4，試驗結(jié)果不合格。其余樣品抗拉強度及伸長率均符合GB5310－2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》〔2〕標準要求，具體試驗數(shù)據(jù)見表1。

圖2 爆管處管壁形貌特征 (4%硝酸酒精)

圖3 爆口處金相組織

表1 拉伸試驗力學性能

圖4 1－1拉伸試樣斷裂處形貌

1.4 母材成分分析

化學成分分析結(jié)果顯示，爆管試樣的S含量為0.021%，雖然不符合GB 5310－2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準要求，但是該鍋爐是在1998年投運的，應該按照舊標準GB 5310－1995《高壓鍋爐用無縫鋼管》〔3〕進行評估。因此，爆管試樣母材化學成分符合要求。具體分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 母材化學成分 %

1.5 垢物化學成分分析

圖7 爆管內(nèi)壁垢樣

圖7示出爆管內(nèi)壁結(jié)垢形貌，垢樣呈黃色，并分層剝落。取垢層樣灼燒并作成分分析，450℃灼燒減少0.38%，900℃灼燒減量為負數(shù)。成分分析表明管內(nèi)附著物主要是氧化鐵垢，占68.05%，并混有磷酸鹽和鈣鹽水垢，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 結(jié)垢層各化學成分含量 %

1.6 爐水品質(zhì)

查看該熱電廠鍋爐運行記錄，發(fā)現(xiàn)2009年11月7日前爐水的pH值明顯偏高，且沒有進行磷酸鹽加氫氧化鈉處理，導致爐水的氧含量高。

2 氫腐蝕機理分析

綜合上述試驗分析結(jié)果，可以判定此次爆管的原因為氫腐蝕。造成水冷壁管氫腐蝕爆管的原因是多方面的，主要有蒸汽腐蝕、堿性腐蝕和酸性腐蝕〔4〕。

蒸汽腐蝕主要發(fā)生在爐膛熱負荷較高區(qū)域，一般為水冷壁管的向火側(cè)。由于爐內(nèi)火焰中心偏斜、熱負荷分布不均，局部熱負荷變化幅度較大，造成局部管壁金屬溫度波動和超溫，破壞了水冷壁管內(nèi)表面鈍化膜的連續(xù)性，而鈍化膜遭到破壞地方，就是氫腐蝕的發(fā)源地。當管壁金屬溫度大于400℃，管內(nèi)產(chǎn)生汽水分層或蒸汽停滯時，就可能發(fā)生蒸汽腐蝕，其反應式為:

產(chǎn)生的氫會擴散到鈍化膜遭到破壞處的鋼管中，與鋼中的滲碳體進行反應，生成甲烷，使鋼基體脫碳。反應式如下:

由于甲烷在鋼中的擴散能力很低，大部分積聚在鋼基體的晶間，使晶間產(chǎn)生局部壓力 (最高可達到1.8×104MPa)，最終導致晶間裂紋產(chǎn)生。

堿性腐蝕是由于爐水中的pH值過高，從而產(chǎn)生游離的氫氧化鈉在水冷壁管內(nèi)側(cè)垢物下發(fā)生濃縮，使得爐管內(nèi)表面的保護膜溶解。暴露出來的鋼管新鮮表面與爐水中的游離氫氧化鈉反應生成氫原子和亞鐵酸鈉，其化學反應式為:

一旦形成腐蝕產(chǎn)物，由于熱阻大，導致腐蝕產(chǎn)物下局部金屬基體的溫度進一步升高，鹽類進一步濃縮，兩者互相促進，使腐蝕加劇。由于亞鐵酸鈉水解為Fe3O4和氫原子，在一定的情況下氫原子還會向金屬內(nèi)部滲透，進而產(chǎn)生氫腐蝕。

酸性腐蝕是在爐水的pH值過低時發(fā)生，通過破壞管內(nèi)壁的保護膜使具有腐蝕性的爐水可以直接與鋼鐵基體發(fā)生如下的反應:

反應生成原子態(tài)氫，而氫擴散至鋼內(nèi)部與鋼中的碳反應，生成甲烷，進而使鋼基體脫碳，產(chǎn)生氫腐蝕。

鍋爐在運行工程中，其運行工況和工質(zhì)不盡相同，同時，上述腐蝕形式又相互作用、相互影響，腐蝕機理較為復雜。通過現(xiàn)場了解，并查閱相關(guān)運行記錄，認為蒸汽和堿性腐蝕 (尤其堿性腐蝕)是本次氫腐蝕爆管的主要原因，其理由如下:(1)該機組啟停頻繁，平均每年超過10次，且停爐保養(yǎng)方法單一，只進行給水充壓保養(yǎng)，針對性不強。由于充壓保養(yǎng)水來自低壓除氧器出水，氧氣含量高，鐵沉積加快，停用期間鍋爐腐蝕加重。 (2)排污不當，尤其是定排長期不到位，加快了爐水中的鐵沉積。(3)鍋爐超過化學清洗規(guī)定年限而沒有進行酸洗，大大加重了爐管的結(jié)垢。2010年水冷壁和冷灰斗割管進行垢量分析，水冷壁垢量為425.06 g/m2，冷灰斗結(jié)垢量716.78 g/m2，均達到需要進行化學清洗的要求。(4)鍋爐燃用非設計煤種或超負荷出力運行，其火焰中心上移且發(fā)生偏斜，導致壁溫升高，結(jié)垢加重。

3 結(jié)論

此次水冷壁爆管屬于典型的氫腐蝕。蒸汽和堿性腐蝕，尤其堿性腐蝕是本次氫腐蝕爆管的主要原因。

4 處置建議

水冷壁一旦發(fā)生氫腐蝕，處置時涉及的部門較多，包括鍋爐專業(yè)、金屬專業(yè)、化學專業(yè)以及相關(guān)的運行部門。鍋爐的運行監(jiān)督要到位，需及時調(diào)整爐膛的火焰中心位置和燃燒帶的面積，避免熱負荷分布不均。應定期進行水冷壁管取樣分析，檢查其內(nèi)壁的腐蝕情況，及時更換已發(fā)生腐蝕的管段。同時加強對汽水品質(zhì)的監(jiān)測，按《火力發(fā)電廠水汽化學監(jiān)督導則》的相關(guān)規(guī)定定期進行鍋爐的化學清洗。另外，機組盡量在額定工況下運行，避免頻繁啟停，做好停爐保養(yǎng)，加強排污處理，確保定排和連排到位。

氫腐蝕形成速度快，破壞性和隱蔽性強，嚴重危害電廠的安全經(jīng)濟運行。電廠各個專業(yè)與運行部門應該相互協(xié)調(diào)，共同做好防止工作，以減少和消除因氫腐蝕導致的爆管事故。

〔1〕張常樂，徐德剛.鍋爐水冷壁爆管原因分析〔J〕．山東電力技術(shù)，2008，(4):35-37．

〔2〕GB5310－2008高壓鍋爐用無縫鋼管〔S〕．北京:中國標準出版社，2008．

〔3〕GB5310－1995高壓鍋爐用無縫鋼管〔S〕．北京:中國標準出版社，1995．

〔4〕崔侖，孫凱，陳俊峰.電站鍋爐水冷壁管的氫腐蝕〔J〕.吉林電力，2004，(5):40-43．

〔5〕DL/T561－1995火力發(fā)電廠水汽化學監(jiān)督導則〔S〕．北京:中國電力出版社，1995．