水冷壁大面積腐蝕原因分析

楊 毅

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引言

某電廠檢查2號(hào)鍋爐爐膛時(shí)發(fā)現(xiàn)水冷壁拱區(qū)上端大面積嚴(yán)重腐蝕，為分析其產(chǎn)生原因，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，取樣進(jìn)行試驗(yàn)室分析。爐膛水冷壁管設(shè)計(jì)材質(zhì)SA210C，設(shè)計(jì)規(guī)格 Φ76 mm×9 mm。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，2號(hào)鍋爐爐膛水冷壁腐蝕部位主要集中在拱區(qū)前、后側(cè)標(biāo)高25.5～28.0 m之間，別的地方腐蝕程度相對(duì)輕得多。水冷壁管對(duì)接焊縫的腐蝕程度明顯比母材嚴(yán)重，管子兩側(cè)鰭片焊縫附近腐蝕比管子中心腐蝕嚴(yán)重。整體來(lái)看，遠(yuǎn)離爐膛的管子腐蝕方向多數(shù)指向爐膛中部；爐膛水冷壁前墻基本上集中在偏左位置，后墻基本上集中在偏右的位置；腐蝕為層狀腐蝕。

經(jīng)查閱4個(gè)月前1號(hào)爐的檢修記錄和報(bào)告，1號(hào)爐未發(fā)現(xiàn)大面積腐蝕現(xiàn)象。

在前墻左至右數(shù)第12根水冷壁管腐蝕減薄嚴(yán)重的對(duì)接焊縫部位（標(biāo)高27 m）取1號(hào)試樣作為失效分析試樣，在前墻右至左數(shù)第18根水冷壁管無(wú)明顯腐蝕的部位（標(biāo)高10 m）取2號(hào)試樣作為對(duì)比試樣，對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行宏觀、化學(xué)成分、金相、常溫力學(xué)性能和腐蝕產(chǎn)物的能譜分析等試驗(yàn)分析。

2 試驗(yàn)

2.1 宏觀檢驗(yàn)

1號(hào)管子無(wú)明顯脹粗，管子實(shí)際外徑76.1 mm；向火面外表面結(jié)垢嚴(yán)重，表面氧化皮最大厚度約3 mm，最外層是灰白色的積灰，敲開(kāi)后內(nèi)層是結(jié)構(gòu)密致的黑褐色物質(zhì)，兩層物質(zhì)之間結(jié)合不牢固；向火面有普遍減薄，減薄最嚴(yán)重的部位主要在兩側(cè)鰭片焊縫附近和對(duì)接環(huán)焊縫及其兩側(cè)，向火面最薄壁厚4.9 mm。背火面外觀無(wú)明顯異常，減薄不嚴(yán)重，實(shí)測(cè)壁厚8.9～9.4 mm。焊縫的向火面有1個(gè)明顯腐蝕凹坑，凹坑最大深度約4 mm；焊縫背火面外觀正常，如圖1～3所示。內(nèi)壁無(wú)明顯氧化皮和結(jié)垢。

2號(hào)對(duì)比試樣管宏觀無(wú)明顯異常。

圖1 1號(hào)試樣向火面

圖2 1號(hào)試樣背火面

圖3 1號(hào)試樣的焊縫

2.2 化學(xué)分析

在1號(hào)和2號(hào)試樣背火面母材上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其中1號(hào)試樣取樣點(diǎn)位于對(duì)接焊縫上部母材，距離焊縫約50 mm。分析結(jié)果如表1所示，1號(hào)試樣和2號(hào)試樣的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)［1］要求，且兩個(gè)試樣成分之間無(wú)顯著差別。

表1 水冷壁管化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.3 微觀檢驗(yàn)

在1號(hào)試樣距離焊縫約80 mm處取樣檢驗(yàn)其橫截面金相組織［2］，采用機(jī)械拋光，用體積比3%的硝酸酒精溶液腐蝕，對(duì)整個(gè)橫截面組織進(jìn)行觀察。如圖4～7所示，其向火面母材中心、背火面和向火面減薄嚴(yán)重區(qū)域的金相組織無(wú)明顯區(qū)別，均為鐵素體+珠光體，珠光體球化等級(jí) 1級(jí)［3］，組織正常，無(wú)長(zhǎng)、短時(shí)超溫的組織特征；無(wú)晶間腐蝕裂紋等異常情況，外表面無(wú)明顯脫碳。

圖4 1號(hào)試樣向火面母材中心的金相組織

圖5 1號(hào)試樣背火面的金相組織

圖6 1號(hào)試樣壁厚減薄處的金相組織

圖8 2號(hào)試樣向火面的金相組織

如圖8，2號(hào)試樣橫截面向火面金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化等級(jí)1級(jí)。

對(duì)比1號(hào)試樣和2號(hào)試樣金相組織，二者無(wú)明顯區(qū)別，說(shuō)明水冷壁管宏觀異常的失效部位未發(fā)生金相組織改變。

2.4 力學(xué)性能

按照GB／T 228—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定導(dǎo)則［4］要求，在1號(hào)試樣和2號(hào)試樣上截取3個(gè)短比例試樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)。1號(hào)試樣平均抗拉強(qiáng)度為510 MPa，屈服強(qiáng)度為 340 MPa，縱向斷后伸長(zhǎng)率為 33.0%；2號(hào)試樣平均抗拉強(qiáng)度為 520 MPa，屈服強(qiáng)度為335 MPa，縱向斷后伸長(zhǎng)率為32.5%；均符合標(biāo)準(zhǔn)［1］要求（抗拉強(qiáng)度≥485 MPa，屈服強(qiáng)度≥275 MPa，縱向斷后伸長(zhǎng)率≥30%）。

2.5 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

對(duì)1號(hào)和2號(hào)試樣內(nèi)、外壁腐蝕產(chǎn)物分別進(jìn)行能譜分析（外壁分析內(nèi)層黑褐色產(chǎn)物）。分析結(jié)果如表2所示。

表2 水冷壁腐蝕產(chǎn)物主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1號(hào)試樣的外壁腐蝕產(chǎn)物中硫含量明顯高于內(nèi)壁，且比2號(hào)試樣的外壁硫含量也要高得多。說(shuō)明1號(hào)試樣所在水冷壁外壁及附近區(qū)域發(fā)生了匯聚大量硫的反應(yīng)。

3 結(jié)果分析

根據(jù)管子微觀組織和力學(xué)性能，排除管子組織性能不合格、晶間腐蝕、異常超溫的可能；而其宏觀特征具有明顯的高溫腐蝕特征，結(jié)合腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果，綜合判斷，爐膛水冷壁管減薄的直接原因是高溫硫腐蝕。

4個(gè)月前1號(hào)爐的檢修時(shí)未發(fā)現(xiàn)爐膛水冷壁有類(lèi)似大面積腐蝕減薄現(xiàn)象，2號(hào)爐以前也沒(méi)有發(fā)生過(guò)如此大面積的嚴(yán)重腐蝕減薄現(xiàn)象，說(shuō)明鍋爐以前運(yùn)行過(guò)程中自然情況下的高溫硫腐蝕速率低。2號(hào)爐爐膛水冷壁本次產(chǎn)生如此大面積的高溫硫腐蝕減薄，應(yīng)該是某個(gè)近期發(fā)生改變的運(yùn)行參數(shù)導(dǎo)致了水冷壁高溫硫腐蝕的加速。

經(jīng)了解，從3個(gè)月前開(kāi)始，2號(hào)鍋爐燃煤中開(kāi)始摻入有煙煤。調(diào)查對(duì)比2號(hào)鍋爐近一年的運(yùn)行參數(shù)，近期唯一發(fā)生較大改變的只有燃煤，其他運(yùn)行條件（參數(shù)）基本未發(fā)生改變，由此推斷，2號(hào)爐水冷壁大面積的高溫硫腐蝕加速是由燃煤發(fā)生改變引起的。

無(wú)煙煤燃燒過(guò)程中火焰短、不結(jié)焦或者結(jié)焦少，有煙煤具有黏結(jié)性，燃燒時(shí)火焰長(zhǎng)且容易結(jié)焦。2號(hào)鍋爐是根據(jù)燒無(wú)煙煤的工況設(shè)計(jì)的，最近改燒摻入煙煤的煤炭，這是不符合原始設(shè)計(jì)要求的。燃燒煙煤和無(wú)煙煤的鍋爐設(shè)計(jì)不同，設(shè)計(jì)時(shí)采用的結(jié)構(gòu)和金屬材料也不同。以無(wú)煙煤的設(shè)計(jì)鍋爐燃燒有煙煤，必然導(dǎo)致?tīng)t膛的運(yùn)行工況發(fā)生改變 （比如火焰長(zhǎng)度和角度、燃燒產(chǎn)物、爐膛溫度等）。摻入有煙煤燃燒后，火焰長(zhǎng)度增大，角度發(fā)生改變，導(dǎo)致火焰直接接觸管壁，接觸區(qū)域主要在標(biāo)高25.5～28 m之間的前墻偏左位置和后墻偏右位置，致使這部分區(qū)域的管壁溫度更高的同時(shí)匯聚了較高含量的硫，從而加速了管子向火面外壁的高溫硫腐蝕，管子壁厚減薄速度比其他區(qū)域快很多。

綜上所述，改燒摻入有煙煤的煤炭是產(chǎn)生水冷壁大面積嚴(yán)重腐蝕減薄的根本原因。

在高溫腐蝕過(guò)程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬成分和顯微結(jié)構(gòu)與母材存在微小差別，導(dǎo)致這些不同區(qū)域之間電化學(xué)電位不同，更容易被腐蝕，所以，焊縫及其附近部位腐蝕速度比其他部位快；同時(shí)，金屬表面越光潔、越均勻其耐腐蝕性能越好［5］，粗糙的表面會(huì)增加腐蝕物質(zhì)的吸附量，促進(jìn)材料加速腐蝕，焊縫表面凹凸不平，光潔度不如母材區(qū)域的管面，這也導(dǎo)致焊縫的腐蝕速度比母材大。以上兩方面因素綜合影響下，焊縫及附近不平滑的熱影響區(qū)會(huì)最先被腐蝕。長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行后，焊縫處腐蝕減薄最嚴(yán)重，熱影響區(qū)次之，遠(yuǎn)離焊縫的母材表面腐蝕減薄最輕微。

4 結(jié)語(yǔ)

鍋爐未經(jīng)熱力計(jì)算和改造就改燒摻入有煙煤的燃煤是爐膛水冷壁管發(fā)生大面積腐蝕減薄的根本原因，高溫硫腐蝕是減薄的直接原因。燃煤的改變加速了高溫硫腐蝕的過(guò)程。

建議：恢復(fù)燃燒無(wú)煙煤，且控制煤炭中的硫含量，從根本上減緩高溫硫腐蝕；如果電廠經(jīng)營(yíng)確實(shí)需要摻燒有煙煤，則必須請(qǐng)有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱力計(jì)算，并對(duì)鍋爐設(shè)備進(jìn)行一定的改造；建議對(duì)爐膛水冷壁管?chē)娡糠栏邷亓蚋g的涂層；加強(qiáng)運(yùn)行管理，防止?fàn)t膛火焰偏斜和水冷壁結(jié)渣。