電站鍋爐水冷壁管失效分析

張鴻武，馮楠楠

（1.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250003；2.濟南經(jīng)緯電力工程咨詢有限公司，山東 濟南 250021；3.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；4.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南 250021）

0 引言

20G 鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有優(yōu)良的塑性、韌性及焊接性。在電站鍋爐承壓部件中，20G 鋼管常用于水冷壁管，分布在爐膛的四周，吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量，并起到保護爐墻的作用，受熱溫度在1 000 ℃左右，其長期使用的最高壁溫應(yīng)不超過450 ℃［1-3］。

1 檢驗檢測

某電站鍋爐為SG420-540/13.7-M419 型燃煤蒸汽鍋爐，于1992 年投產(chǎn)，截至目前已累計運行超過20 萬h。2005 年對水冷壁管進行防腐噴涂處理，噴涂材料為Al絲。該爐噴燃器為雙通道噴燃器。近期入爐煤含硫量在0.48%～3.71%，大部分在1.0%～2.0%之間，煤的含硫量較高。2020 年5 月該鍋爐水冷壁管發(fā)生爆管泄漏。

全面分析斷裂原因，對于指導(dǎo)事故處理工作，加強電站鍋爐運行管理、提高其安全可靠性，具有重要意義［4］。該水冷壁管的設(shè)計材料為20G，設(shè)計規(guī)格為Φ60 mm×7 mm，運行壓力15.2 MPa，運行溫度310 ℃。

1.1 宏觀檢驗

原始爆口位于前墻標高約12 m，北數(shù)第20 根管，爆口開口較大，呈喇叭狀，邊緣減薄明顯，見圖1（a），爆口處管壁較薄，表面有水沖刷的痕跡。從爆口宏觀形貌上來看，為腐蝕減薄爆口。

經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，在上下噴燃器之間以及上噴燃器以上部分區(qū)域內(nèi)的水冷壁管向火側(cè)外表面均附著了大量的黑灰色較為堅硬的物質(zhì)。

爆漏管鄰近管子表面附著有大量的黑灰色塊狀物質(zhì)，主要集中在管壁向火側(cè)中間部位，呈多層結(jié)構(gòu)，最外層是不穩(wěn)定的疏松焦渣，里一層是脆硬的黑褐色燒結(jié)物，厚度在1～2 mm，與內(nèi)層結(jié)合較為緊密，用銼刀敲擊呈片狀脫落；最內(nèi)層是深灰色或藍黑色腐蝕產(chǎn)物，與管壁結(jié)合極為緊密，很難用銼刀敲落，見圖1（b）。在管壁靠近鰭片處附著物較少，但管壁減薄量加大，最薄處約2.6 mm，存在點狀的凹坑，見圖1（c）。

圖1 宏觀形貌

1.2 金相分析

對取樣管段進行金相檢測，并根據(jù)標準DL/T 674—1999《火電廠用20 號鋼珠光體球化評級標準》對珠光體進行球化評級［5］。檢測結(jié)果如下。

管子向火面（爆口邊緣）及背火面（爆口背面）的金相組織均為珠光體和鐵素體。珠光體區(qū)域開始分散，其組成仍較為致密，基本保持原有形態(tài)，珠光體球化評級均為2級，如圖2所示。

圖2 金相組織

外壁腐蝕產(chǎn)物共分為三層，最外層較為疏松，存在較多孔洞；次外層相對最外層致密，但也存在部分孔洞；內(nèi)層最為致密，與噴涂層結(jié)合緊密，如圖3所示。

圖3 腐蝕產(chǎn)物形貌

1.3 微觀形貌及能譜檢測

使用AMRAY1830 掃描電子顯微鏡，對爆口管段進行微觀形貌檢測，如圖4 所示，從襯度上可以看出，水冷壁管外壁腐蝕產(chǎn)物截面共分為三層，最外層顏色最淺，較為疏松，含有較多顆粒狀物質(zhì)；次外層較最外層致密；內(nèi)層與噴涂層結(jié)合緊密；噴涂層與基體之間存在較多孔隙和裂紋，結(jié)合不是很緊密。腐蝕產(chǎn)物表面存在大量的孔洞和裂紋，較為疏松脆硬。

對外層腐蝕產(chǎn)物的表面和截面進行能譜檢測，分別如圖4（b）和圖5 所示?？梢娡鈱痈g產(chǎn)物的表面主要由Fe 元素、Al 元素、S 元素、Si 元素組成，S 元素含量最高。

圖4 微觀形貌

圖5 外層腐蝕產(chǎn)物截面能譜測點

外層腐蝕產(chǎn)物的截面中1區(qū)全部為Fe元素，為管子基體；2區(qū)含有部分S元素和Cl元素；3區(qū)Al元素含量較高，為噴涂層與腐蝕產(chǎn)物混合區(qū)域；4區(qū)與5區(qū)成分基本一致，S 元素含量較高，存在少量的Ca 和K 元素，為腐蝕產(chǎn)物和積灰沉積區(qū)域，檢測結(jié)果見表1。

表1 試樣的能譜檢測結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） 單位：%

1.4 物相分析

取下附著在水冷壁管外壁的腐蝕產(chǎn)物，研磨成粉末，使用X’Pert Pro 型X 射線衍射儀進行物相分析，檢測結(jié)果如圖6 所示，腐蝕產(chǎn)物的主要成分是FeS、Fe3O4及少量SiO2（非晶物相不能檢出）。

圖6 外壁腐蝕產(chǎn)物X射線衍射的檢測結(jié)果

2 爆管原因分析

該鍋爐噴燃器為雙通道噴燃器，其調(diào)節(jié)機構(gòu)傳動裝置設(shè)計不合理，在熱態(tài)時會因變形而經(jīng)常卡澀，葉片無法準確調(diào)節(jié)；傳動機構(gòu)之間的裝配間隙偏大，剛性和緊固性差，葉片角度容易失去控制。這些都嚴重影響了噴燃器的配風(fēng)性能，導(dǎo)致配風(fēng)不合理和出口氣流流場混亂，造成火焰沖刷爐墻。

燃料煤粉中黃鐵礦（FeS2）隨灰粒和未燃盡煤粉一起沖到管壁上，受熱分解出自由原子硫和硫化亞鐵［6］：

此外，當管壁附近存在H2S 和SO2時也可能生成自由原子硫［6］：

當燃燒完全時，煤粉中的硫原子被完全氧化，與氧結(jié)合生成SO2及少量的SO3，SO2與Fe 的反應(yīng)能力略強于O2，但因SO2在煙氣中的濃度遠低于O2，因此O2能與水冷壁管壁金屬中的Fe 優(yōu)先反應(yīng)生成致密、連續(xù)且與管壁結(jié)合緊密的氧化膜（Fe2O3、Fe3O4、FeO）。當火焰直接沖刷爐墻時，在離心力的作用下，管壁附近含氧量減少，在水冷壁管壁附近產(chǎn)生還原性氣體和腐蝕性氣體，緊鄰管壁處未完全燃燒的硫原子單獨存在，在管壁溫度達到350 ℃時，會發(fā)生如下反應(yīng)［6-7］：

對于貧煤機組，鍋爐的斷面熱負荷和容積熱負荷都相對較大，噴燃器區(qū)域熱負荷高；正常運行工況下，水冷壁管壁附近的煙氣溫度在1 000 ℃以上，這也為水冷壁管壁的高溫硫腐蝕提供了條件［6］。水冷壁管內(nèi)的介質(zhì)溫度只有300～400 ℃，管壁內(nèi)外溫差較大，換熱劇烈，盡管外壁具有保護性的氧化膜，但硫原子及反應(yīng)生成的硫化亞鐵對金屬氧化膜仍具有破壞作用，可以直接以滲透的方式穿過氧化膜，使內(nèi)部硫化，同時使氧化膜疏松、開裂，甚至剝落，產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物附著不牢固，會隨著運行工況的變化發(fā)生脫落，如此惡性循環(huán)，使得高溫腐蝕持續(xù)不斷地發(fā)生［8-9］：

水冷壁管金相組織為鐵素體和珠光體，珠光體球化評級為2級，組織性能正常。

腐蝕產(chǎn)物截面分為三層，腐蝕產(chǎn)物中S 元素的含量非常高，內(nèi)層和次外層達到30%以上，表面為57.48%，表面腐蝕產(chǎn)物主要物相為FeS、Fe3O4及SiO2。結(jié)合近期入爐煤含硫量較高，噴燃器水平區(qū)域火焰沖刷爐墻，在水冷壁管向火側(cè)表面局部形成還原氣氛，在煙氣溫度較高的環(huán)境中，水冷壁管向火側(cè)管壁逐漸腐蝕減薄，當管壁減薄到一定厚度時，強度無法承受管內(nèi)介質(zhì)的壓力，而發(fā)生爆破。

3 結(jié)語

本次爆管產(chǎn)生的原因為硫化物型高溫腐蝕。建議對噴燃器區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)高溫腐蝕的水冷壁管向火側(cè)管壁厚度進行測量，更換厚度低于設(shè)計厚度1/3的管子；改善燃煤質(zhì)量，采用的含硫量低的燃煤；對噴燃器區(qū)域出現(xiàn)高溫腐蝕的水冷壁管表面進行噴涂處理，減緩高溫腐蝕的腐蝕速率。