一起高壓鍋爐水冷壁爆管原因分析

桑山松

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院駐馬店分院，河南 駐馬店463000）

水冷壁爆管是較為常見的鍋爐故障，其會對鍋爐的穩(wěn)定運行以及安全帶來嚴重的影響。而導致水冷壁爆管最為常見的因素就是鍋爐結(jié)垢。在文中主要就一起鍋爐水垢導致水冷壁發(fā)生氫損傷的實例進行分析，希望可以為類似鍋爐水冷壁爆管事故的處理提供借鑒。

1 基本情況

某企業(yè)#2 爐為國內(nèi)某公司設計制造高壓鍋爐，型號為DGJ220/9.81—Ⅱ7。鍋爐形式：自然循環(huán)汽包爐、燃燒器四角布置切圓燃燒、平衡通風、固態(tài)排渣。鍋爐構(gòu)架采用全鋼結(jié)構(gòu)、鍋爐室外布置。額定蒸汽壓力為9.8 MPa，額定蒸汽溫度540±5 ℃。

整個爐膛為正方形懸吊結(jié)構(gòu)，由材質(zhì)為20G、規(guī)格為Φ60mm×5mm 光管加扁鋼焊成節(jié)距S=80 的膜式水冷壁構(gòu)成，前、后以及兩側(cè)墻水冷壁各有83根組成，共4×83 根。機組于 2012 年 05 月投產(chǎn)，2017 年 2 月 7 日發(fā)生爆管事故。

2 使用標準

DL/T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》、DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導則》。

3 試驗器具

AXiovert 40 MAT 金相顯微鏡（JS1-08Q203）、Niton XL 3t 合金分析儀（JS1-10G251）、UTM5305 微機控制電子萬能試驗機（JS1-14G025）、掃描電鏡（Quanta650）等。

4 檢查情況

4.1 現(xiàn)場宏觀檢查情況

現(xiàn)場宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，此次爆管共兩處。1處位于#1角附近后墻水冷壁左數(shù)第24 根，標高約15 米，爆管高度在爐膛的位置見圖1。爆口處管壁整塊裂開飛脫，呈窗口狀。其它輕微鼓包泄漏部位發(fā)現(xiàn)有18 處：爆口管（左數(shù)第24根）上5處、左數(shù)第22根管上5處、左數(shù)第23根管上 5 處、左數(shù)第 27 根管上 1 處，見圖 2；另外，在右墻水冷壁后數(shù)第10根、標高約14米管上發(fā)現(xiàn)2處輕微鼓包泄漏部位，見圖3。

另外1處爆管位于#3角附近，爆口處管壁有1塊裂開飛脫，管壁向外翻開。附近管子有數(shù)處泄漏點，見圖4。

從宏觀檢查來看，爆口邊緣粗糙且無明顯減薄和塑性變形，呈典型的脆性斷裂特征。其它泄漏處有輕微鼓包，但變形不明顯。

將管子隔開后發(fā)現(xiàn)，爆口管、泄漏管以及同等高度外壁無異常水冷壁管（左墻靠中間部位），向火面內(nèi)壁均存在一層較厚、質(zhì)地疏松的氧化腐蝕產(chǎn)物，見圖5。

4.2 微觀檢查情況

圖1 爐膛結(jié)構(gòu)圖

圖2 #1角附近爆口及附近泄漏照片

圖3 右墻后數(shù)第10根泄漏照片

在#3 角爆口管（編為#1）、#1 角輕微鼓包泄漏管（編為#2）、同等高度外壁無異常管（左墻靠中間部位，編為#3）上分別橫向截取做微觀分析，拋光后在向火面內(nèi)壁均發(fā)現(xiàn)有大量微觀裂紋。侵蝕后發(fā)現(xiàn)3 個試樣內(nèi)外壁有一明顯不規(guī)則分界線，內(nèi)壁到分界線距離占整個壁厚比例分別為65%、65%、45%。在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)此區(qū)域為脫碳層，珠光體形貌基本消失。觀察發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁裂紋基本為沿晶擴展，裂紋微觀形貌。3個管樣外壁均未發(fā)現(xiàn)裂紋和脫碳現(xiàn)象，靠外壁組織為鐵素體+珠光體，組織正常，未發(fā)現(xiàn)明顯球化。

圖4 #3角附近爆口及附近泄漏照片

圖5 內(nèi)壁氧化腐蝕產(chǎn)物

另外，電廠為確定換管范圍，在冷灰斗以及折煙角附近也進行割管送檢。宏觀檢查內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)明顯氧化腐蝕產(chǎn)物，微觀檢查未發(fā)現(xiàn)內(nèi)外壁存在裂紋，組織正常。

4.3 管樣室溫抗拉強度檢測

在電廠送檢的割管試樣中，在冷灰斗和折煙角試樣中各取一根進行室溫力學性能檢測，其抗拉強度Rm和屈服強度Rel均滿足標準要求，見表1。

表1 室溫力學性能檢測結(jié)果 MPa

4.4 能譜分析情況

為分析氧化腐蝕產(chǎn)物的成分，對#1 試樣裂紋內(nèi)產(chǎn)物進行了能譜檢測。

從表2 數(shù)據(jù)來看，氧化腐蝕產(chǎn)物中存在鹽類成分以及腐蝕性元素Cl。

表2 試樣1裂紋內(nèi)產(chǎn)物元素含量 %

4.5 爐水質(zhì)量化驗結(jié)果

化工分公司共有3 臺鍋爐，鍋爐用水共用一給水母管。據(jù)電廠技術(shù)人員介紹2016 年11 月份，化水處理過程中陰床陽床出現(xiàn)失效，且至今仍未完全修復；運行過程中除氧器出現(xiàn)過未投情況；凝汽器也出現(xiàn)過泄漏。

為了檢測在用爐水品質(zhì)情況，分別在運行中#3 爐取給水和爐水進行化驗分析，結(jié)果見表3。

表3 爐水質(zhì)量檢測結(jié)果

從爐水質(zhì)量檢測結(jié)果來看，給水、爐水中SiO2和Cl離子均嚴重超出正常值，尤其是爐水中含有大量腐蝕性介質(zhì)Cl 離子，PO4離子其含量嚴重異常。另外，爐水PH值也偏低。

5 原因分析

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)爆口和泄漏處均無明顯脹粗、減薄，為脆性斷口；金相組織分析發(fā)現(xiàn)水冷壁管內(nèi)壁組織中存在大量沿晶微裂紋，且有明顯脫碳現(xiàn)象，這些均是典型的氫損傷特征。

從能譜和爐水質(zhì)量檢測結(jié)果來看，爐水中既存在容易結(jié)垢鹽類成分，也存在腐蝕性成分Cl 離子。這些為氫損傷的發(fā)生提供了有利條件。管子內(nèi)壁垢層吸附腐蝕介質(zhì)，使得垢下原先的Fe3O4保護膜被破壞，內(nèi)壁金屬的腐蝕速度加快，逐漸形成蝕坑和蝕溝。腐蝕產(chǎn)物和垢層不斷加厚，爐水中的氧擴散至腐蝕反應前沿數(shù)量減少，腐蝕前沿的溶液進一步酸化，使陰極反應變?yōu)槲鰵浞磻?。生成的氫原子具有高度的化學活性，一部分氫原子擴散滲入金屬內(nèi)部，與金屬組織珠光體中的碳化物作用生成甲烷，在金屬組織中形成脫碳層，使金屬基體強度下降。較大的甲烷分子聚集于晶界，在晶界上產(chǎn)生極大的內(nèi)應力而使晶界開裂，形成沿晶微裂紋。

氫損傷的發(fā)生和腐蝕介質(zhì)濃度、溫度有很大關(guān)系，所以其更容易發(fā)生在熱負荷較高的汽水分界面下部向火面。另外，運行過程中未投除氧器勢必會加速氧化皮的生成，加快氫損傷的發(fā)生。

6 結(jié) 論

綜合分析認為造成#2 爐水冷壁爆管泄漏的原因是：爐水品質(zhì)不合格導致的水冷壁管氫損傷。

對存在氫損傷的管子全部予以更換。

7 建 議

（1）對鍋爐的爆管事故應該認真分析，搞清原因，并對工況條件相似部分的管子進行檢查排除缺陷的可能。

（2）對鍋爐爆管事故除了材料、溫度和理化分析之外，應對管子所用的介質(zhì)情況進行詳細分析排查，消除產(chǎn)生缺陷的源頭，如本例中應防止凝汽器等爐前設備的泄漏、提高補給水和凝結(jié)水質(zhì)量、保障除氧器正常工作、進行水化學工況分析等以保證給水品質(zhì)至關(guān)重要。

（3）按照相關(guān)標準規(guī)定對水冷壁管定期進行化學清洗，去除管內(nèi)壁的沉積物，做好停爐保護使管內(nèi)壁保護膜不被破壞。

（4）建議盡快對其他相同條件鍋爐進行檢查，確保其他設備的安全使用。