亞臨界鍋爐水冷壁管腐蝕機(jī)理研究

周公文*

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 前言

某燃煤電廠(chǎng)亞臨界鍋爐停機(jī)檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)水冷壁管向火側(cè)外表面存在大面積結(jié)焦，去除結(jié)焦層后發(fā)現(xiàn)管壁出現(xiàn)明顯減薄現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量該管道的最小壁厚僅為3.2 mm。該水冷壁管規(guī)格為 45 mm×5.4 mm（內(nèi)螺紋管），材質(zhì)為20G，設(shè)計(jì)溫度為369 ℃，設(shè)計(jì)壓力為21 MPa。鍋爐投產(chǎn)后又進(jìn)行了低氮燃燒器改造，改造前水冷壁管未發(fā)生明顯減薄現(xiàn)象。低氮燃燒器改造的原理是將燃料方式在鍋爐內(nèi)集中燃燒改為雙尺度分級(jí)燃燒，從而降低鍋爐出口的NOx排放量。在低氮燃燒器改造完成之后，鍋爐內(nèi)大量投用了高硫煤，通過(guò)該次檢修發(fā)現(xiàn)，鍋爐水冷壁管發(fā)生了嚴(yán)重的減薄現(xiàn)象。

本文對(duì)減薄的水冷壁管進(jìn)行理化分析檢驗(yàn)，通過(guò)化學(xué)成分分析、機(jī)械性能試驗(yàn)、強(qiáng)度計(jì)算和金相組織分析，找出引起水冷壁管發(fā)生嚴(yán)重減薄的主要原因，并給出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)儀器

對(duì)減薄的水冷壁管進(jìn)行了宏觀(guān)檢查并對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。通過(guò)采用X 射線(xiàn)熒光光譜分析測(cè)試水冷壁管表面腐蝕層的化學(xué)成分。取減薄嚴(yán)重處水冷壁管鑲嵌金相試樣，經(jīng)磨制拋光后，采用4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液腐蝕，采用Carl Zeiss Axio Observer A1m 型金相顯微鏡觀(guān)測(cè)水冷壁管的金相組織形態(tài)。在水冷壁管向火面和背火面上各取一個(gè)拉伸試樣，試樣規(guī)格尺寸應(yīng)按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上檢驗(yàn)材料的拉伸性能。利用HBE-3000A 布氏硬度計(jì)，在金相試樣上進(jìn)行宏觀(guān)布氏硬度檢驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 宏觀(guān)檢查

圖1 為外表面減薄嚴(yán)重的水冷壁管宏觀(guān)形貌。從圖1 中可見(jiàn)，水冷壁管表面存在大面積腐蝕現(xiàn)象，大部分腐蝕產(chǎn)物層脫落，導(dǎo)致管壁嚴(yán)重減薄。

圖1 腐蝕嚴(yán)重的水冷壁管宏觀(guān)形貌

2.2 強(qiáng)度計(jì)算

該水冷壁管的設(shè)計(jì)溫度為369 ℃，設(shè)計(jì)壓力為21 MPa，依據(jù)GB/T 16507.4—2013 《水管鍋爐 第4 部分:受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》中的計(jì)算公式對(duì)管道最小需要厚度進(jìn)行計(jì)算：

式中：δmin——最小需要壁厚；

δt——管子計(jì)算厚度；

C1——腐蝕裕量，取0.5 mm；

p——計(jì)算壓力，取21 MPa；

D0——管子外徑，取45 mm；

φmin——最小減弱系數(shù)，取1；

[σ] ——許用應(yīng)力，20G 材料在400 ℃時(shí)持久強(qiáng)度平均值為128 MPa。

根據(jù)式（1）計(jì)算可得管道的最小需要壁厚應(yīng)為3.9 mm。

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果顯示：最小需要壁厚為3.9 mm，大于實(shí)測(cè)最小壁厚3.2 mm，該水冷壁管計(jì)算強(qiáng)度不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.3 表面覆層成分分析

表1 為水冷壁管表面腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分，檢驗(yàn)結(jié)果表明水冷壁管外表面腐蝕產(chǎn)物主要為硫化物。

表1 水冷壁管表面腐蝕產(chǎn)物化學(xué)成分

2.4 金相檢驗(yàn)

圖2 為水冷壁管母材及外壁的金相組織形貌。顯微組織檢驗(yàn)表明，管道金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為8 級(jí)，顯微組織中碳化物開(kāi)始分散，珠光體區(qū)域完整，球化級(jí)別為2 級(jí)，腐蝕產(chǎn)物下管道外壁表面平整，少量區(qū)域存在深度較淺、底部圓滑的凹坑，未見(jiàn)裂紋及孔洞型表面缺陷，表明管道表面腐蝕為均勻腐蝕。

2.5 力學(xué)性能檢測(cè)

表2 是水冷壁管力學(xué)性能表，1 號(hào)和2 號(hào)分別為水冷壁管向火面試樣和背火面試樣。檢驗(yàn)結(jié)果表明，水冷壁管的力學(xué)性能符合20G 材料的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.6 結(jié)果分析與討論

該水冷壁管外表面發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，根據(jù)X射線(xiàn)熒光光譜分析可知，腐蝕產(chǎn)物主要為硫化物，高硫煤在鍋爐中燃燒，使水冷壁管發(fā)生高溫硫腐蝕[1-2]，導(dǎo)致管壁減薄嚴(yán)重。通過(guò)運(yùn)行狀態(tài)強(qiáng)度計(jì)算得出水冷壁管運(yùn)行時(shí)所需最小需要壁厚大于實(shí)測(cè)最小壁厚，該水冷壁管強(qiáng)度已不滿(mǎn)足鍋爐安全運(yùn)行條件，存在安全隱患。

圖2 水冷壁管的金相組織形貌

3 結(jié)論

該燃煤電廠(chǎng)的低氮燃燒器改造將燃料在鍋爐內(nèi)的燃燒方式從集中燃燒改為雙尺度分級(jí)燃燒，燃燒方式改變后造成主燃燒區(qū)含氧量偏低，爐膛內(nèi)還原性氣氛濃度升高，水冷壁管向火側(cè)處于嚴(yán)重缺風(fēng)狀態(tài)，導(dǎo)致一次風(fēng)所帶煤粉沖刷水冷壁，由于向火側(cè)一次風(fēng)氣流距離水冷壁較近，溫度較高，造就了易產(chǎn)生高溫腐蝕的外部環(huán)境。在低氮燃燒器改造后，主燃燒區(qū)氧含量偏低，使得水冷壁管表面結(jié)焦，促進(jìn)高溫腐蝕，而實(shí)際入爐煤的硫含量偏高是加劇水冷壁管發(fā)生高溫硫腐蝕的主要原因。該水冷壁管表面存在嚴(yán)重硫腐蝕，這是由鍋爐投入高硫煤作為燃料導(dǎo)致的，硫腐蝕使管壁減薄加速，使得水冷壁管計(jì)算強(qiáng)度不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2 水冷壁管的力學(xué)性能

建議更換剩余壁厚小于4.2 mm 的管道，并嚴(yán)格控制入爐煤中硫的含量；對(duì)存在高溫腐蝕的水冷壁區(qū)域進(jìn)行防腐噴涂或添加陶瓷涂層處理[3]；或開(kāi)展低氮燃燒器的技術(shù)改造，優(yōu)化燃燒調(diào)整，降低爐膛還原性氣氛濃度。