電站鍋爐水冷壁頻繁腐蝕穿孔分析*

王明庭，劉景新，趙 斌，王會(huì)權(quán)

（1.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063000；2.唐山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 電站鍋爐部，河北 唐山063000）

電站鍋爐水冷壁頻繁腐蝕穿孔分析*

王明庭1,2，劉景新2，趙 斌1，王會(huì)權(quán)2

（1.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063000；2.唐山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 電站鍋爐部，河北 唐山063000）

為了找出水冷壁管高負(fù)荷區(qū)頻繁發(fā)生泄漏事故產(chǎn)生的原因，通過查閱資料、宏觀檢查、壁厚測(cè)量及強(qiáng)度校核、硬度測(cè)定、金相分析、力學(xué)性能分析、脹粗測(cè)量等方法對(duì)事故水冷壁管進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，垢下腐蝕是導(dǎo)致水冷壁管腐蝕穿孔泄漏的直接原因，汽水品質(zhì)差、低負(fù)荷運(yùn)行等不合理運(yùn)行因素是水冷壁頻繁泄漏的根本原因。實(shí)踐表明，在高壓等級(jí)范圍的電站鍋爐，當(dāng)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時(shí)容易發(fā)生類似缺陷。

腐蝕；電站鍋爐；水冷壁；腐蝕穿孔；垢下腐蝕

1 事故概況

某鋼鐵企業(yè)自備電廠，兩臺(tái)110 t/h高壓鍋爐，從2013年底開始連續(xù)發(fā)生多次水冷壁泄漏，部分管壁上出現(xiàn)鼓包。發(fā)生事故時(shí)，鍋爐運(yùn)行周期約3萬(wàn)h，鍋爐主蒸汽壓力9.81 MPa，主蒸汽溫度540℃，燃料為高爐煤氣，燃燒方式為四角切圓。水冷壁規(guī)格Φ60 mm×5 mm、材質(zhì)20G。

查閱事故記錄顯示，從2013年底開始2#鍋爐發(fā)生多根水冷壁泄漏，2014年11月1日又因水冷壁泄漏事故停爐，泄漏點(diǎn)23處。鍋爐與2014年10月3日開始低負(fù)荷運(yùn)行，到發(fā)生再次泄漏運(yùn)行20余天，負(fù)荷基本保持額定負(fù)荷的50%以下。

2 事故分析

2.1 宏觀檢查

爐膛四周水冷壁整體管排排列整齊，未見異常變形。在燃燒器高度至燃燒器標(biāo)高向上約2 m位置向火側(cè)可見多處管子泄漏，外表面泄漏點(diǎn)如同針孔形狀，泄漏點(diǎn)管子四周均有，沒有側(cè)重某一側(cè)爐墻，部分水冷壁向火側(cè)出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，數(shù)次的水冷壁失效形貌特征類似。

對(duì)發(fā)生了穿孔處管子進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，如圖1所示。從圖1（c）可以看出，穿孔處內(nèi)壁可見潰瘍狀腐蝕坑，呈腐蝕穿孔泄漏[1]，管子內(nèi)表面腐蝕層或氧化皮較厚，測(cè)量厚度約0.7 mm。對(duì)該管子進(jìn)行切割取樣，切割過程伴有腐蝕物或氧化皮脫落，說明腐蝕物和氧化皮與管子銜接疏松。未泄漏處管子內(nèi)表面未見明顯腐蝕斑痕。

圖1 水冷壁鋼管腐蝕穿孔照片

2.2 壁厚測(cè)量及強(qiáng)度校核

測(cè)量圖1（b）中泄漏點(diǎn)1～泄漏點(diǎn)4及其附近的壁厚，結(jié)果見表1。由表1可知，腐蝕部位減薄1 mm，其他部位未見明顯減薄。通過壁厚校核計(jì)算分析，該水冷壁管最小需用壁厚為3.125 6 mm，滿足使用要求。

表1 水冷壁管壁厚測(cè)量結(jié)果

2.3 硬度測(cè)定

按照測(cè)厚點(diǎn)部位進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度為120～130HB，硬度值正常。

2.4 金相分析

對(duì)圖1（b）腐蝕穿孔管子中腐蝕最嚴(yán)重部位和完好部位分別制取試樣，鑲嵌后進(jìn)行金相分析。腐蝕部位試樣的縱截面晶界清晰，珠光體未見球化，晶粒度大小正常。腐蝕部位試樣的橫截面屬于傾向性球化，鐵素體晶界不明晰，珠光體球化等級(jí)評(píng)定為2級(jí)；同時(shí)測(cè)得管子內(nèi)表面氧化皮厚度為0.59 mm；并對(duì)內(nèi)表面邊界金相1 000倍組織分析，發(fā)現(xiàn)由內(nèi)表面向材料內(nèi)部延伸有沿晶的微裂紋。并對(duì)無腐蝕部位制取試樣，進(jìn)行金相組織分析，晶界清晰，晶粒度正常，珠光體未見球化，鍋爐水冷壁管金相分析照片如圖2所示。

依據(jù)DL/T 674—1999《火電廠用 20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》分析可知，取樣管未見珠光體球化現(xiàn)象或珠光體傾向性球化，20G珠光體球化現(xiàn)象不明顯。通過高倍顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，由內(nèi)壁向材料內(nèi)部延伸有沿晶微裂紋。

2.5 力學(xué)性能分析

對(duì)腐蝕穿孔管的向火面取樣進(jìn)行力學(xué)性能分析，結(jié)果見表2。試驗(yàn)結(jié)果滿足GB 5310—2008對(duì)20G材料拉伸性能的要求。

2.6 脹粗測(cè)量

腐蝕穿孔管子實(shí)測(cè)管外徑最大值60.8 mm，均未見明顯脹粗。

2.7 相關(guān)承壓部件宏觀檢查

圖2 鍋爐水冷壁管金相分析照片

表2 腐蝕穿孔水冷壁向火面水冷性能

檢查發(fā)現(xiàn)：鍋筒內(nèi)表面布滿水垢，水側(cè)尤為嚴(yán)重，呈乳白色軟垢，最厚處約1.5 mm，部分旋風(fēng)筒傾倒、移位；減溫器內(nèi)部布滿水垢，較嚴(yán)重，呈白色硬垢；省煤器入口集箱內(nèi)堆積了大量泥渣（如圖3所示）?？梢钥闯觯仩t汽水品質(zhì)差，白色水垢說明水垢的化學(xué)成分主要是鈣鎂水垢，鈣鎂水垢造成鍋水的硬度偏大[2]。

圖3 鍋爐各主要部件內(nèi)部新狀況

2.8 缺陷原因分析

爐膛四周水冷壁管排排列整齊，未見異常變形；數(shù)次泄漏水冷壁形狀特征類似，呈腐蝕穿孔狀泄漏，部分管壁有鼓包，上述缺陷均發(fā)生在向火側(cè)內(nèi)壁。

對(duì)腐蝕穿孔管子取樣，泄漏部位內(nèi)表面有潰瘍狀腐蝕坑，呈貝殼狀向下凹陷；硬度值在正常范圍，力學(xué)性能正常，未見明顯脹粗；金相組織基本正常，未見珠光體球化或珠光體傾向性球化現(xiàn)象，邊界向材料內(nèi)部延伸有沿晶的微裂紋；檢測(cè)結(jié)果符合垢下腐蝕機(jī)理特征[3]。硬度超標(biāo)的水質(zhì)環(huán)境正好吻合了垢下腐蝕的腐蝕機(jī)理。

鍋筒、減溫器、省煤器及水冷壁內(nèi)表面的較厚氧化皮或腐蝕層均說明鍋爐的汽水品質(zhì)惡劣[4]。從鍋筒、減溫器內(nèi)表面的白色水垢可以分析出水的硬度大[5]。

長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行熱偏差大，勢(shì)必減緩水冷壁的水循環(huán)速度，使水循環(huán)被破壞，造成局部超溫，加速了水冷壁管的腐蝕，腐蝕產(chǎn)物增厚又加速了局部超溫，二者相互影響導(dǎo)致了水冷壁大面積泄漏、鼓包。長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，加速了水冷壁管的腐蝕，又使得高壓加熱器無法投入，造成給水溫度比設(shè)計(jì)值低100℃，必然造成某些受熱面超負(fù)荷吸熱，影響其材質(zhì)安全。

分析結(jié)果表明，垢下腐蝕導(dǎo)致了水冷壁管失效，鍋爐水質(zhì)不達(dá)標(biāo)和長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行等不規(guī)范運(yùn)行是造成本次水冷壁管失效的直接原因[6]。實(shí)踐表明，在高壓等級(jí)范圍的電站鍋爐，當(dāng)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時(shí)容易發(fā)生類似缺陷[7-9]。

3 事故預(yù)防與改進(jìn)

3.1 提高技術(shù)人員水平

從唐山地區(qū)的水冷壁失效事故發(fā)現(xiàn)，事故多發(fā)生在企業(yè)新建的自備電廠，尤以高參數(shù)鍋爐多發(fā)。當(dāng)前，電站鍋爐數(shù)量穩(wěn)步增加，自備電廠是增量主體，自備電廠人員流動(dòng)性大，有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員緊缺，人員匹配數(shù)量少，對(duì)同一機(jī)組特性掌握的傳承性差，管理體系提升速度滯后。當(dāng)前各自備電廠新建的鍋爐多數(shù)為高參數(shù)鍋爐，而相關(guān)管理和運(yùn)行人員多數(shù)是中壓機(jī)組人員，缺乏高參數(shù)鍋爐工作經(jīng)驗(yàn)；高壓參數(shù)鍋爐材料較復(fù)雜，各自備電廠普遍缺乏專業(yè)的金屬監(jiān)督人員和化學(xué)監(jiān)督人員。類似水冷壁垢下腐蝕事故在上世紀(jì)80年代為常見事故，現(xiàn)在類似事故在各大專業(yè)電廠已經(jīng)很少發(fā)生，但是自備電廠卻屢次發(fā)生。因此，提高操作人員素質(zhì)和鍋爐管理水平是自備電廠避免事故的當(dāng)務(wù)之急。

3.2 加強(qiáng)檢修、改進(jìn)不合理的負(fù)荷波動(dòng)

為了多創(chuàng)效益，電站鍋爐的啟停不完全由發(fā)電分廠直接控制，實(shí)際上自備電廠基本上不安排計(jì)劃停爐，非計(jì)劃停爐期間安排的檢修時(shí)間較短，導(dǎo)致鍋爐檢修不足，增加安全運(yùn)行隱患。由于各自備電廠鍋爐燃料多為廢氣再利用，燃料供給波動(dòng)大，導(dǎo)致鍋爐負(fù)荷頻繁波動(dòng)，增加了運(yùn)行難度，燃料供應(yīng)不足導(dǎo)致的長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行是影響鍋爐安全運(yùn)行最大的安全隱患。這些都增加了水冷壁泄漏事故的發(fā)生頻率。新增爐型在設(shè)計(jì)方面難免存在缺憾，也是目前鍋爐發(fā)生泄漏的原因之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過事故原因分析，認(rèn)為垢下腐蝕是導(dǎo)致電站鍋爐水冷壁管失效的主要原因。鍋爐水質(zhì)不達(dá)標(biāo)且長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行等不規(guī)范運(yùn)行使水冷壁管形成較厚的且不均勻的水垢，硬度超標(biāo)的水質(zhì)環(huán)境正好適合垢下腐蝕的腐蝕機(jī)理，因此在高壓等級(jí)范圍的電站鍋爐，當(dāng)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時(shí)容易產(chǎn)生水冷壁管頻繁腐蝕穿孔。

預(yù)防水冷壁管垢下腐蝕的措施是加強(qiáng)化學(xué)監(jiān)督工作。落實(shí)日常的水質(zhì)化驗(yàn)制度，對(duì)已結(jié)垢的水冷壁管進(jìn)行化學(xué)清洗。運(yùn)行期間，重點(diǎn)關(guān)注凝汽器泄漏后給水硬度超標(biāo)問題，加強(qiáng)給水含鐵量的檢測(cè)與控制[10]。停爐期間做好停爐保養(yǎng)工作，避免出現(xiàn)因大氣腐蝕造成針狀腐蝕穿孔事故。

[1]沈國(guó)清，高憲波，安連鎖，等.Chan-Taylor協(xié)同定位算法在電站鍋爐泄漏定位中的應(yīng)用[J].電力科學(xué)與工程，2014（3）：5-8.

[2]張?zhí)r，王志偉，張營(yíng)，等.電站鍋爐省煤器出口水溫變化對(duì)過熱器溫度影響的計(jì)算方法研究[J].電力科學(xué)與工程，2006（2）：14-16.

[3]王來，馬海濤，韓雙起，等.熱電廠鍋爐水冷壁管爆管泄漏原因分析[J].金屬熱處理，2011，36（9）：36-40.

[4]HOSSEIN，ZADEH，TAGHANL，et al.Caustic corrosion in a boiler waterside tube：Root cause and mechanism[J].Engineering Failure Analysis，2015（28）：69-77.

[5]LUO Xiaoling，ZHANG Zhi.Leakage failure analysis in a power plant boiler[J].IERI Procedia，2015（5）：107-111.

[6]GB/T 30579—2014，承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別[S].

[7]殷尊.超超臨界1000MW機(jī)組鍋爐水冷壁爆管原因分析[J].熱力發(fā)電，2013，42（7）：92-96.

[8]TSG G0001—2012，鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[9]趙昆.電站鍋爐承壓部件失效模式與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D].山東：山東大學(xué),2014.

[10]GB/T 12145—2008，火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量[S].

Analysis of Frequent Corrosion Perforation of Power Station Boiler Water Wall

WANG Mingting1,2，LIU Jingxin2，ZHAO Bin1，WANG Huiquan2
（1.Institute of Metallurgy and Energy,North China University of Science and Technology,Tangshan 063000,Hebei,China；2.Tangshan City Special Equipment Supervision and Inspection Institute,Tangshan 063000,Hebei,China）

The leakage accident of water wall tube frequently occurred in high load area,in order to find the cause,it analyzed the water wall tube for the accident through consulting data,macroscopic examination,wall thickness measurement and strength check,hardness testing,metallographic analysis,mechanical performance analysis,measuring expansion and other methods.The results showed that the underdeposit corrosion is the direct reason lead to corrosion and perforation;poor quality steam water,low load operation and other unreasonable operation factors are the primary cause of frequent leakage of water wall.Practice showed that the power station boiler easily occurred similar defects in the high pressure range,when the water quality is not up to the standard.

corrosion;power station boiler;water wall；corrosion perforation;underdeposit corrosion

TK223.3

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.015

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目“電站鍋爐爐內(nèi)磨損部位預(yù)判研究及綜合防磨理論的創(chuàng)立”（項(xiàng)目號(hào)2014QK065）。

王明庭（1978—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事電站鍋爐檢驗(yàn)工作。

2016－06－12

李紅麗