電站鍋爐水冷壁管腐蝕失效分析

程明輝 劉 杰

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杭州 310000）

近年來由于鍋爐水冷壁管失效引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生，對鍋爐機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重的危險(xiǎn)。除了管材材質(zhì)和焊接質(zhì)量的問題外，腐蝕性介質(zhì)的腐蝕是產(chǎn)生水冷壁爆漏的主要誘發(fā)因素。

某熱電廠一臺循環(huán)流化床UG-130/5.3-M6型鍋爐，膜式水冷壁規(guī)格為φ60mm×5mm，材質(zhì)是20G，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)60000余h，近年來發(fā)生多起水冷壁爆管事故。

為探究事故成因，在宏觀分析的基礎(chǔ)上取水冷壁管內(nèi)壁向火側(cè)局部腐蝕的管段進(jìn)行理化分析，把腐蝕孔洞區(qū)域3等分為#1、#2和#3試樣。對#1和#3試樣橫截面經(jīng)粗磨、精磨、拋光、腐蝕(4%硝酸酒精溶液)后觀察金相組織，對#1和#2試樣橫截面觀察掃描形貌，同時(shí)對剝落的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD成分分析和能譜分析。

1 宏觀分析

檢查中發(fā)現(xiàn)多根高溫區(qū)水冷壁管向火側(cè)的管內(nèi)壁發(fā)生局部腐蝕，背火側(cè)內(nèi)壁無腐蝕現(xiàn)象。腐蝕管段位于水冷壁前墻，靠爐右中部。水冷壁管向火面內(nèi)壁腐蝕的宏觀形貌如圖1所示，可以看出，內(nèi)壁形成局部腐蝕坑，腐蝕產(chǎn)物外表面呈層狀剝落，整體呈灰黑色，此外，管內(nèi)壁均勻分布點(diǎn)蝕坑。

2 金相分析

圖2為#1試樣500倍光學(xué)顯微鏡下橫截面腐蝕段顯微組織形貌。從中可以看出母材顯微組織為鐵素體+珠光體，珠光體均勻分布于鐵素體基體上，晶粒度平均為10級；腐蝕產(chǎn)物呈現(xiàn)分層現(xiàn)象，腐蝕分為兩個(gè)階段，緊貼著母材的是腐蝕產(chǎn)物A，然后是腐蝕產(chǎn)物B，可以看出A、B之間結(jié)合不緊密，存在微孔。

圖1 水冷壁管內(nèi)壁形貌

圖2 500X下#1橫截面腐蝕段顯微組織形貌

圖3、圖4為不同放大倍數(shù)下#3試樣腐蝕段顯微組織形貌，圖3顯示試樣外表面有輕微脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度約為0.3mm。圖4顯示腐蝕區(qū)域A內(nèi)部存在斷層，母材顯微組織為鐵素體+珠光體，分布比較均勻，晶粒度為10級。

圖3 50X下#3橫截面腐蝕段顯微組織形貌

圖4 200X下#3橫截面腐蝕段顯微組織形貌

3 XRD分析

XRD分析結(jié)果表明其特征峰值與Fe3O4的特征峰值吻合，F(xiàn)e3O4含量約100%，見圖5。

圖5 試樣XRD特征峰值和Fe3O4標(biāo)準(zhǔn)特征峰值對比圖

4 掃描電鏡分析

圖6、圖7、圖8顯示A腐蝕產(chǎn)物和母材之間存在孔洞，說明腐蝕產(chǎn)物和基體之間的結(jié)合并不緊密。

圖9、圖10、圖11顯示腐蝕產(chǎn)物A內(nèi)部存在開裂現(xiàn)象。

圖6 #1試樣100X橫截面掃描形貌

圖7 #1試樣500X橫截面掃描形貌

圖8 #1試樣2000X橫截面掃描形貌

表1 A、B處元素分析

圖9 #2試樣100X橫截面掃描形貌

圖10 #2試樣500X橫截面掃描形貌

圖11 #2試樣5000X橫截面掃描形貌

5 能譜分析

圖12為腐蝕產(chǎn)物橫截面線掃描圖，從線掃描可以推斷，緊貼金屬壁面的黑色腐蝕產(chǎn)物是FeO。

6 綜合分析

從腐蝕形貌上看該腐蝕形態(tài)屬于點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕多發(fā)生在表面生成氧化膜或鈍化膜的金屬材料上[1]，水冷壁管里有大量氧和一定量的氯離子，是產(chǎn)生點(diǎn)蝕的必要條件[2]。在氧化劑的作用下，由于腐蝕性陰離子的吸附富集作用，金屬的表面膜(如氧化膜)會(huì)在特定點(diǎn)發(fā)生溶解而形成蝕孔。

腐蝕機(jī)理如下：

通過能譜分析可以看出該腐蝕產(chǎn)物中含有微量的Cl-，而金相中的腐蝕劑是采用4%硝酸酒精，不含Cl-，因此可以判斷出所含Cl-為介質(zhì)所帶入。Cl-具有促進(jìn)鐵氧化的能力，當(dāng)Cl-濃度較低時(shí)，反應(yīng)主要在水冷壁基體表面進(jìn)行，電化學(xué)反應(yīng)生成Fe(OH)2，Cl-作為催化劑使氧化速率加速。反應(yīng)生成了Fe(OH)2，繼而生成粘著性的Fe3O4，疏松的堆積在蝕坑周圍或進(jìn)人水中。

圖12 腐蝕產(chǎn)物橫截面線掃描

化學(xué)反應(yīng)方程式：

氫氧化亞鐵沉淀的水溶液加熱到70℃以上，進(jìn)行緩慢的氧化[3]，就可以得到四氧化三鐵。

該鍋爐的運(yùn)行記錄顯示鍋爐運(yùn)行時(shí)水質(zhì)正常，但因生產(chǎn)原因該鍋爐兩年來只運(yùn)行了約2800h，啟停2次，大部分時(shí)間處于停爐保養(yǎng)狀態(tài)，停爐期間采用余熱烘干法進(jìn)行保養(yǎng)，放水烘干后未加干燥劑。該廠5臺鍋爐系統(tǒng)為母管制運(yùn)行，查閱外檢報(bào)告得知該臺鍋爐的主蒸汽閥門和集汽集箱向空排汽閥存在內(nèi)漏現(xiàn)象，導(dǎo)致鍋爐停爐保養(yǎng)期間不能完全與外界系統(tǒng)隔離，鍋爐烘干之后外界空氣與水蒸氣仍然通過向空排汽閥和主蒸汽閥門泄漏到鍋爐系統(tǒng)內(nèi)，導(dǎo)致管路內(nèi)進(jìn)入水分與空氣，由于沒有干燥劑，水分與空氣便形成水膜覆蓋在水冷壁管表面上，從而引起氧腐蝕。根據(jù)DL/T 956—2005《火力發(fā)電廠停（備）用熱力設(shè)備防銹蝕導(dǎo)則》的要求，放水結(jié)束后，應(yīng)立即關(guān)閉空氣門、排汽門和放水門，封閉鍋爐。

7 結(jié)論

水冷壁管氧腐蝕的主因是停爐期間保養(yǎng)不當(dāng)[4]，閥門泄漏導(dǎo)致系統(tǒng)不能完全與外界隔離，導(dǎo)致水冷壁管內(nèi)壁產(chǎn)生局部氧腐蝕[5]，水中殘存的Cl-作為催化劑加快了氧腐蝕速度。生產(chǎn)實(shí)踐證明，鍋爐的氧腐蝕大多是在停產(chǎn)期間造成的，因此應(yīng)采取合理的保養(yǎng)措施，根據(jù)DL/T 956—2005《火力發(fā)電廠停（備）用熱力設(shè)備防銹蝕導(dǎo)則》的要求，鍋爐防銹蝕方法的主要選擇原則是：機(jī)組的參數(shù)和類型，機(jī)組給水、爐水處理方式，停（備）用時(shí)間的長短和性質(zhì)，現(xiàn)場條件，可操作性和經(jīng)濟(jì)性，考慮到本臺鍋爐采用母管制運(yùn)行，宜采用鄰爐熱風(fēng)烘干法進(jìn)行保養(yǎng)，熱爐放水后，輔以運(yùn)行鄰爐熱風(fēng)，繼續(xù)烘干，盡可能杜絕水分和空氣進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)。

[1] 時(shí)軍波，徐娜，陳立宗，等.水冷壁管腐蝕破壞原因分析[J].熱加工工藝，2013，42(16)：212-214.

[2] 李景平，周年光，霍金仙，等.高溫爐水Cl-對碳鋼水冷壁管的腐蝕行為研究[J].材料保護(hù)，2001，34(08)：21-22.

[3] 蔡志剛，謝濤.鍋爐管的高溫腐蝕與滲鋁防護(hù)[J].熱力發(fā)電，1996（01）：3-4.

[4] 張青.淺談鍋爐運(yùn)行及維護(hù)保養(yǎng)工作[J].能源與環(huán)境，2 007（0 4）：109-111.

[5] 吳慧.做好鍋爐安全運(yùn)行及維護(hù)保養(yǎng)的重要性[J].硅谷，2 008（0 4）：46-47.