鍋爐水冷壁爆管事故原因分析

張共清

摘 要：水冷壁爆管是鍋爐常見的故障之一，會嚴重影響到電廠的運行安全及效益。本文結(jié)合某鍋爐水冷壁爆管事故，對其事故的原因進行了分析，并提出了相應處理建議，旨在為類似鍋爐水冷壁爆管事故處理提供參考。

關(guān)鍵詞：鍋爐；水冷壁事故；建議

中圖分類號：TK229 文獻標志碼：A

在工業(yè)鍋爐運行過程中，經(jīng)常會遇到各種各樣的問題，其中水冷壁爆管是最危險也是最經(jīng)常發(fā)生的一種，嚴重地影響了鍋爐機組的安全穩(wěn)定運行。因此， 我們對于鍋爐所出現(xiàn)的事故給予詳細的分析，探索出引發(fā)事故的最終原因，這對鍋爐運行安全性和有效性的提高具有重要的意義。

1 鍋爐水冷壁爆管事故概述

事故設備為某公司的1臺生產(chǎn)用鍋爐，2012年10 月安裝完畢并投運，型號為SZL4-2.5-AII。

鍋爐水冷壁管規(guī)格為φ51mm×3mm，材質(zhì)為20G。根據(jù)生產(chǎn)要求，鍋爐運行壓力為1.0MPa。由于公司鍋爐管理安全意識淡薄，加之該地區(qū)原水水質(zhì)硬度偏高，從2016年4月開始，多根水冷壁管均發(fā)生了不同程度的爆管，從而失去其應有的效力，導致公司出現(xiàn)計劃以外的停產(chǎn)。水冷壁管最底端標高2.85m，最高標高34m，爆管位置多發(fā)生在標高為21m ～4m 處。

1 觀察與試驗結(jié)果

1.1 宏觀形貌檢查

水冷壁管出現(xiàn)爆管的位置處于直管一段，且面向于爐內(nèi)火焰面，爆口從表面形狀來看，呈現(xiàn)為鑿槽型，從爆口看向管的內(nèi)壁，腐蝕的痕跡清晰可見，爆口附近管壁其直徑?jīng)]有表現(xiàn)出較為明顯的漲粗情況。

由此可判斷出，水冷壁管在出現(xiàn)裂開時，并沒有蠕脹和塑性變形發(fā)生。爆口位置其邊緣的厚度由向火面的內(nèi)壁開始明顯變薄，最薄處僅為1.9mm，而該水冷壁管正常厚度應為5mm，水冷壁管背向于火焰面的地方?jīng)]有明顯的腐蝕情況，也未見管壁變薄。爆口斷開暴露出的表面表現(xiàn)為粗糙，邊緣未見撕裂型剪切唇。爆口周圍管壁變薄位置具有腐蝕坑的特征，其不是均勻性的變薄，而屬于潰瘍性腐蝕。

該爆管周圍的水冷壁管也存在同樣的潰瘍性腐蝕情況。腐蝕產(chǎn)物的顏色為暗黑色，水冷壁管上出現(xiàn)腐蝕坑的位置管壁明顯較薄，與基體金屬相對比，腐蝕產(chǎn)物的體積變大。

1.2 化學成分分析

在該發(fā)生爆管的水冷壁管上進行取樣，取樣位置為與爆口有較遠距離的地方，對取得的樣品進行化學分析，分析結(jié)果見表1。從結(jié)果中可以看出，該水冷壁管材料符合GB5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準中20G化學成分要求。

1.3 顯微組織分析

從爆口邊緣內(nèi)部表面存在腐蝕坑的位置上切取一塊材料作為金相試樣，并對試樣的截面進行粗磨和細磨，之后采用濃度為4%的硝酸酒精將其腐蝕，使用AxioImagerA2m型蔡司顯微鏡和FEIQuanta450FEG型掃描電鏡進行顯微組織觀察分析，元素成分的分析選用OXFORDAztecX-MAX50型能譜分析儀。

1.4 垢層分析

通過掃描電子顯微鏡（SEM）對水冷壁管內(nèi)壁的垢層進行分析，可見有積垢層附著于管的內(nèi)壁上，且從垢層表面來看，其凹凸不平，薄厚程度為厚，和管壁基體存在明顯的分界面，且腐蝕產(chǎn)物形貌展示為“泥紋狀”。通過能譜儀（EDS）對其進行分析可知，垢層中含有Ca、Fe、Zn、O等元素，并且含有少量的元素Zn、Ca、Mn、Si等。

2 失效原因分析

通常情況下，如果是因為水冷壁管溫度太高而導致的爆口，該爆口會表現(xiàn)為撕裂狀，有剪切唇，并會出現(xiàn)明顯的塑性變形。而從此次爆口的形貌來看，并不符合該形貌，而且腐蝕坑下金屬機體顯微組織中層片狀珠光體形態(tài)明顯，不存在珠光體球化現(xiàn)象，材料組織也不存在劣化現(xiàn)象，因此可排除由于溫度過高而導致爆口的可能性。

調(diào)取水冷壁管在失去效能前的鍋水，通過檢測pH值發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)的鍋水pH值均在10以上，當水冷壁管內(nèi)的介質(zhì)其壓力為10.2MPa～10.5MPa時，鍋水pH值控制標準為9.0～10.0，最低運行值也要超過9.5，所以并不是低pH值運行，便可排除是出現(xiàn)了酸腐蝕，而且水冷壁管的內(nèi)壁上沒有出現(xiàn)脫碳，所以不是酸腐蝕而導致的爆口。

一般來說，水冷壁管內(nèi)部的表面有一層致密的Fe3O4保護膜來保護基體不會受到腐蝕，如果鍋水的pH值太高，或者是過低，都會破壞保護膜。當水冷壁管內(nèi)介質(zhì)的壓力值為10.2MPa～10.5MPa時，鍋水PO43-濃度的控制目標為2mg/L～6mg/L，而從鍋水的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，鍋水PO43-濃度數(shù)據(jù)普遍處于偏高狀態(tài)。此次爆管發(fā)生在21m～24m標高范圍內(nèi)。屬于鍋爐的汽水分離段，在這一過程當中，鍋水中的磷酸鹽等成分會被濃縮，面向火焰的一面更加嚴重，所以鍋水中磷酸鹽會大量析出，并在水冷壁管的內(nèi)壁上附著，從而形成積垢層。積垢層就為垢下腐蝕的形成提供了前提條件，磷酸鹽積垢層的導熱性能非常差，而垢下的鍋水會快速蒸發(fā)，所以垢下具有較高pH值鍋水中的堿液會被濃縮，尤其是面向火焰一面的水冷壁管中，因為其具有的熱負荷高，堿濃縮就更加嚴重，所以導致了堿性腐蝕。

臨界濃度的濃縮堿可對金屬基體造成直接的侵襲，而且熱負荷太高在無形中又增加了腐蝕的進一步發(fā)展。在垢下pH值高的情況下，基體表面具有的Fe3O4保護膜會受到破壞，基體因此被暴露出來，并進一步腐蝕，在腐蝕的過程中，就會形成一個個的腐蝕坑，這也是水冷壁管厚度不斷變薄的原因。而腐蝕生成的H2會進入水汽，在循環(huán)的過程中會被帶走。腐蝕后，就會在水冷壁管中面向火焰一面的內(nèi)部形成潰瘍型的腐蝕凹坑。

因為沒有對鍋水進行很好的控制，所以水冷壁管的內(nèi)壁上聚集了許多磷酸鹽等鹽分，并累積為垢，造成水冷壁管中面向火焰的一面堿液濃度濃縮，導致爆管的位置其垢下產(chǎn)生堿性腐蝕。且堿性腐蝕表現(xiàn)為兩個方面：一方面，在內(nèi)壁上有以Fe的氧化物為主的積垢層形成，面向火焰一面的水冷壁管其內(nèi)表面存在大量的潰瘍性腐蝕坑，是水冷壁管的金屬壁逐漸變?。涣硪环矫?，金屬基體中的沿晶界形成腐蝕溝槽，并且腐蝕溝槽聚集相連，在水冷壁管中介質(zhì)的壓力作用下，沿著晶從內(nèi)壁向外壁逐漸擴展，最終導致爆管。

3 建議

通過對水冷壁管發(fā)生爆管的原因進行分析，主要提出以下四點建議：第一，在對水冷壁管進行檢修的過程中，重點對其管壁的厚度進行測量，一旦發(fā)現(xiàn)有異常變薄的情況，必須及時進行更換；第二，在檢修過程中，應該采用化學清洗的方法非水垢實施有針對性的清洗處理；第三，在鍋爐的運行過程中，要著重對鍋水的水質(zhì)進行檢測和控制，檢測項目包括pH值、水中雜志以及游離堿等；第四，要定時開展對水冷壁管的取樣工作，通過樣品分析水冷壁管的內(nèi)壁是否有腐蝕、積垢等情況。

結(jié)語

綜上所述，水冷壁管是鍋爐的主要承壓部件和蒸發(fā)受熱面，由于其惡劣的運行環(huán)境條件，常常會導致爆管事故的發(fā)生。因此，必須要加強對鍋爐水冷壁管的質(zhì)量檢測，避免發(fā)生爆管事故，若發(fā)生水冷壁爆管事故，必須在第一時間給予有效的解決方法，最大程度地減少事故發(fā)生所造成的損失，為鍋爐運行的安全性和穩(wěn)定性提供保障。

參考文獻

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