電站鍋爐水冷壁管的泄漏原因及應(yīng)對(duì)措施

諶 康，蔡文河，杜雙明，董樹青，高大偉，楊志博，李旌鑫

(1. 中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院，北京 100040； 2. 鋼鐵研究總院特殊鋼研究所，北京 100081)

四管泄漏是造成電站非停的最普遍、最常見的形式，占機(jī)組非停事故的50%以上[1-2]。四管泄漏的高爆發(fā)率嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性[3-4]，因此備受電廠重視。水冷壁管是鍋爐最為關(guān)鍵的受熱部分，針對(duì)水冷壁管的失效問題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了長(zhǎng)期深入的研究，水冷壁管不僅會(huì)在煙氣側(cè)發(fā)生腐蝕[5]，也會(huì)在水汽側(cè)發(fā)生腐蝕。腐蝕是不斷累積且不可逆的，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，如果不對(duì)鍋爐水冷壁管的腐蝕問題進(jìn)行有效監(jiān)督和干預(yù)，水冷壁管的腐蝕失效概率會(huì)逐漸增加[1]。

某火電廠600 MW機(jī)組亞臨界鍋爐，型號(hào)為030/17.5-YM9，采用一次中間再熱、平衡通風(fēng)、直流式四角切圓燃燒方式，額定蒸發(fā)量為1 762 t/h。爐膛水冷壁管采用螺栓上升膜式內(nèi)螺紋管，為光管加扁鋼的焊接形式。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，近期水冷壁管在運(yùn)行過程中數(shù)次發(fā)生泄漏，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重隱患。本工作對(duì)水冷壁管的泄漏原因進(jìn)行分析，并針對(duì)水冷壁管內(nèi)壁的腐蝕失效情況，找出腐蝕原因和失效機(jī)理，并提出相應(yīng)的處理改進(jìn)措施，以確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)為同類型鍋爐的防護(hù)提供借鑒。

1 試驗(yàn)

泄漏水冷壁管為前水中心線右數(shù)第八根，泄漏處為管壁出現(xiàn)橫向裂紋的位置，標(biāo)高約為47 m，漏點(diǎn)上方因泄漏后過熱發(fā)生爆管。泄漏水冷壁管尺寸為φ51 mm×5.6 mm，螺旋管圈型水冷壁管，材質(zhì)為20鋼，運(yùn)行時(shí)間約為9.7萬 h。如圖1所示，泄漏管外壁存在輕微結(jié)焦，未發(fā)生明顯塑性變形和脹粗，泄漏處橫向裂紋長(zhǎng)度較短，約為10 mm，該管外壁5處橫向裂紋均位于向火側(cè)中部，如圖中標(biāo)記所示。

(a) 裂紋形貌1

將圖1中樣管縱向剖開后,可見管內(nèi)壁存在垢層，垢層呈黑灰色。在同一位置，內(nèi)壁裂紋與外壁幾處橫向裂紋均貫通，如圖2所示。

圖2 失效管段向火側(cè)的內(nèi)壁形貌

使用2.5%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸水溶液對(duì)內(nèi)壁垢層超聲清洗10 min，清除垢層后，在向火側(cè)內(nèi)壁中部發(fā)現(xiàn)大量枝狀裂紋，裂紋主要集中在螺紋臺(tái)階附近區(qū)域，在螺紋突變位置更為嚴(yán)重。而背火側(cè)內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)目視可見裂紋，只存在局部點(diǎn)蝕坑，且螺紋臺(tái)階附近蝕坑相對(duì)密集，如圖3所示。

(a) 向火側(cè)

如圖4所示:失效管段向火側(cè)、背火側(cè)管壁均未見明顯減薄。向火側(cè)中部位置內(nèi)壁觀察到腐蝕，由管內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，其深度已達(dá)到50%壁厚，且腐蝕已發(fā)生橫向面積型擴(kuò)展，見圖中標(biāo)記。

圖4 失效管段橫截面的宏觀形貌

采用牛津FOUNDRY-MASTER PRO型全譜直讀光譜儀對(duì)失效管樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，見表1。可以看出，失效管樣的化學(xué)成分符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。

表1 失效管的化學(xué)成分

采用SHB-3000E布氏硬度計(jì)對(duì)失效管樣的布氏硬度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表2，可見其布氏硬度符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》要求。

表2 失效管的布氏硬度

采用蔡司Axio Observer金相顯微鏡對(duì)失效管樣的顯微組織進(jìn)行分析，如圖5所示，管樣向火側(cè)、背火側(cè)的顯微組織均為鐵素體+珠光體，參考DL/T 674-1999《火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，珠光體球化2級(jí)，為輕度球化，對(duì)于運(yùn)行近10萬 h的水冷壁管，組織老化程度相對(duì)正常，向火側(cè)、背火側(cè)組織無明顯差異。

(a) 向火側(cè)

如圖6所示:失效管樣向火側(cè)與背火側(cè)內(nèi)壁均有不同程度的腐蝕坑，大部分腐蝕坑呈袋狀，向火側(cè)袋狀蝕坑密度更大，腐蝕現(xiàn)象相對(duì)嚴(yán)重。向火側(cè)部分腐蝕坑向外壁呈穿晶型式擴(kuò)展開裂，開裂深度達(dá)數(shù)毫米，而背火側(cè)未發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展趨勢(shì)，僅部分相鄰腐蝕坑貫穿連通。

(a) 向火側(cè)

采用配備能譜儀(EDS) 的Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)失效管樣內(nèi)壁垢層進(jìn)行SEM觀察和能譜分析，如圖7所示，內(nèi)壁垢層主要為含F(xiàn)e的氧化物，并含有較高含量的Cu元素。

(a) SEM形貌

圖8為袋狀腐蝕坑的SEM形貌，對(duì)圖8中腐蝕

圖8 腐蝕坑SEM形貌

坑的兩處位置進(jìn)行了能譜分析，由圖9可見，腐蝕坑主要為含F(xiàn)e的氧化物，腐蝕坑內(nèi)部存在含P、Zn、Ca等的Fe的氧化物。

(a) 能譜1

如圖10所示:向火側(cè)腐蝕坑處發(fā)生擴(kuò)展開裂，對(duì)裂紋進(jìn)行能譜分析，裂紋主要為Fe的氧化物。

(a) SEM形貌

2 結(jié)果與討論

失效管樣的顯微組織為鐵素體+珠光體，向火側(cè)、背火側(cè)珠光體球化均為2級(jí)，輕度球化，向火側(cè)、背火側(cè)組織無明顯差異。對(duì)于運(yùn)行近10萬 h的水冷壁管，組織未明顯劣化，且未見冶金和制造缺陷，由此可見，管道泄漏并非原材料質(zhì)量及超溫運(yùn)行導(dǎo)致的。

失效管內(nèi)壁存在垢層，垢層呈黑灰色，主要為Fe的氧化物，且含有大量Cu元素，這可能與凝汽器銅管發(fā)生腐蝕有關(guān)。Cu元素在水冷壁管內(nèi)壁上沉積，會(huì)對(duì)水冷壁管內(nèi)壁的保護(hù)膜產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕[6-7]。內(nèi)壁向火側(cè)、背火側(cè)均有不同程度的袋狀腐蝕坑，腐蝕坑主要為含F(xiàn)e的氧化物，在腐蝕坑內(nèi)部存在含有P、Zn、Ca等元素的Fe的氧化物。P元素的存在，說明爐水通過加入磷酸鹽進(jìn)行處理。用磷酸鹽處理爐水，不僅不能消除氧化垢的形成，相反會(huì)促進(jìn)Fe、Zn、Ca 、Cu等金屬離子在內(nèi)壁的沉積，從而加劇對(duì)管壁的腐蝕[8]。

由于內(nèi)壁的氧化垢層熱阻較大，熱量不能迅速從金屬管壁傳遞到爐水中，使得管壁溫度升高，另外氧化鐵垢和螺旋臺(tái)階阻礙了爐水的流通，使得介質(zhì)富集，導(dǎo)致水冷壁管爐水在氧化鐵垢下方和螺旋的縫隙內(nèi)局部濃縮，從而使該處溶解氧和介質(zhì)濃度急劇增加，當(dāng)達(dá)到一定濃度后，水冷壁管的局部產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[9]。

陰極反應(yīng)為：

(1)

陽極反應(yīng)為：

(2)

隨著電化學(xué)腐蝕的進(jìn)行，縫隙內(nèi)產(chǎn)生的腐蝕物難以擴(kuò)散出去，導(dǎo)致縫隙內(nèi)的介質(zhì)濃度進(jìn)一步增大，造成縫隙內(nèi)介質(zhì)在濃度、pH和組成等方面和整體產(chǎn)生很大的差異，引起縫隙內(nèi)金屬加速腐蝕。水冷壁管螺旋的先決條件，導(dǎo)致了介質(zhì)更容易在螺旋臺(tái)階處富集，向火側(cè)、背火側(cè)管壁的蝕坑都是在螺旋臺(tái)階附近相對(duì)密集。當(dāng)OH-和Fe2+濃度增大到一定值時(shí)，便會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：

(3)

由于陰極反應(yīng)的發(fā)生，腐蝕區(qū)的氧含量降低，這時(shí)，外界的氧就會(huì)通過擴(kuò)散源源不斷進(jìn)入腐蝕區(qū)，F(xiàn)e(OH)2會(huì)部分被氧化，發(fā)生以下反應(yīng)：

(4)

由于Fe(OH)3的酸性強(qiáng)于Fe(OH)2,故發(fā)生中和反應(yīng)：

(5)

介質(zhì)濃縮腐蝕的產(chǎn)物主要是Fe3O4，在腐蝕產(chǎn)物中含有爐水中的P、Zn、Ca、Cu等元素。同時(shí)少量的Fe(OH)3脫水形成Fe2O3，而生成的Fe3O4垢層隨著厚度的逐漸增加，在熱負(fù)荷的波動(dòng)和內(nèi)壁蒸汽周期性沖刷下，會(huì)逐漸形成裂紋直至破裂，此時(shí)氧就會(huì)通過裂紋或破裂處進(jìn)入繼續(xù)與水冷壁管基體發(fā)生反應(yīng), 生成的產(chǎn)物體積膨脹迫使外層的氧化物和水垢脫落，水冷壁管可以進(jìn)一步腐蝕，從而使腐蝕區(qū)域擴(kuò)大。

由于腐蝕不可逆性和累積性的特點(diǎn)，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，水冷壁管腐蝕損傷程度逐漸增加。根據(jù)宏觀及微觀觀察結(jié)果，向火側(cè)袋狀蝕坑密度更大，腐蝕現(xiàn)象相對(duì)嚴(yán)重，這主要是因?yàn)椋?1) 水冷壁管兩側(cè)(向火側(cè)、背火側(cè))溫度的不同會(huì)引起兩側(cè)爐水的濃縮程度不同，向火側(cè)爐水濃縮程度高，而背火側(cè)反應(yīng)物濃度小，導(dǎo)致向火側(cè)和背火側(cè)形成濃度梯度，發(fā)生濃差電池反應(yīng)，而向火側(cè)又在濃差電池中作為陽極，加速了腐蝕進(jìn)程；(2) 向火側(cè)溫度較高，使得向火側(cè)水溶液的電導(dǎo)率增大，這使腐蝕過程的電流加大，這向火側(cè)腐蝕相對(duì)嚴(yán)重；(3) 向火側(cè)和背火側(cè)存在較大溫差，導(dǎo)致兩側(cè)電極電位不同，形成附加的電化學(xué)反應(yīng)。背火側(cè)電極電位高，作為陰極，在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，受到保護(hù)。

顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，向火側(cè)腐蝕坑處存在裂紋向外壁擴(kuò)展的現(xiàn)象，呈穿晶式擴(kuò)展，而背火側(cè)未發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展趨勢(shì)。人工打斷掰開一處向火側(cè)中部裂紋，如圖11所示，該斷口裂紋由內(nèi)壁腐蝕坑處起裂，呈放射狀向外壁擴(kuò)展，具備典型的疲勞斷裂特征，進(jìn)一步驗(yàn)證裂紋從內(nèi)壁腐蝕坑處起裂，逐漸向外壁疲勞擴(kuò)展。向火側(cè)管壁承受較大的交變熱應(yīng)力，在熱疲勞載荷作用下，在內(nèi)壁腐蝕缺陷處起裂擴(kuò)展，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間高溫服役，裂紋擴(kuò)展基本貫穿水冷壁管，即將形成水冷壁管的外壁橫向裂紋。裂紋表面存在較厚的氧化垢層，裂紋部位存在較長(zhǎng)時(shí)間的氧化腐蝕，同時(shí)也說明該裂紋的形成和擴(kuò)展經(jīng)過疲勞和氧化腐蝕的共同作用，疲勞裂紋的擴(kuò)展進(jìn)一步加劇介質(zhì)的局部富集，促進(jìn)氧化腐蝕的進(jìn)行，二者互相促進(jìn)。

圖11 向火側(cè)中部人工斷口SEM形貌

隨著我國(guó)新能源的迅猛發(fā)展，對(duì)調(diào)峰電源的需求逐年升高，火電機(jī)組由于調(diào)峰性好，深度調(diào)峰成為常態(tài)。在深度調(diào)峰形式下，機(jī)組頻繁啟停、長(zhǎng)期低負(fù)荷工作，快速升降負(fù)荷。鍋爐在啟停爐以及負(fù)荷快速變化期間，水冷壁管向火側(cè)壁溫發(fā)生大幅度波動(dòng)，易形成熱沖擊，使向火側(cè)管壁承受較大的交變熱應(yīng)力，隨著循環(huán)次數(shù)的逐漸累計(jì)，在向火側(cè)腐蝕坑處(薄弱處)產(chǎn)生熱疲勞裂紋[10-11]。與背火側(cè)相比，向火側(cè)腐蝕更為嚴(yán)重，向火側(cè)管壁承受較大的交變熱應(yīng)力，腐蝕與熱疲勞的交互作用使得裂紋更容易在向火側(cè)中部起裂擴(kuò)展，這也是樣管泄漏位置全部位于向火側(cè)的原因。

3 處理措施

腐蝕和疲勞都是累積損傷過程，應(yīng)對(duì)爐內(nèi)水冷壁管整體進(jìn)行安全評(píng)估，對(duì)運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣的部位重點(diǎn)關(guān)注。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，對(duì)損傷程度較大的水冷壁管予以更換。水冷壁管造成泄漏是內(nèi)壁腐蝕和交變熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果，應(yīng)從控制水冷壁管的腐蝕和熱疲勞兩方面加以改進(jìn)。

(1) 應(yīng)及時(shí)對(duì)鍋爐進(jìn)行化學(xué)清洗，除去水冷壁管內(nèi)附著的氧化垢層，在管內(nèi)壁形成鈍化膜，制止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展。

(2) 加強(qiáng)化學(xué)監(jiān)督，保證爐水品質(zhì)，尤其要控制溶解氧，保證鍋爐連續(xù)排污和定期排污的正常運(yùn)行。定期監(jiān)測(cè)給水中鐵和凝結(jié)水中銅的含量，有助于判斷水冷壁管積垢及腐蝕情況。

(3) 按照運(yùn)行規(guī)程控制鍋爐起停速率，控制機(jī)組變負(fù)荷時(shí)的速率，減少機(jī)組起停次數(shù)，降低鍋爐啟停和調(diào)峰工況下產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

4 結(jié)論

(1) 失效管樣的顯微組織為鐵素體+珠光體，向火側(cè)、背火側(cè)珠光體球化均為2級(jí)，輕度球化。管壁向火側(cè)、背火側(cè)組織無明顯差異。對(duì)于運(yùn)行近10萬 h的水冷壁管，組織未明顯劣化，且未見冶金和制造缺陷，即泄漏并非原材料質(zhì)量及超溫運(yùn)行導(dǎo)致的。

(2) 失效管樣內(nèi)壁存在垢層，爐水在氧化鐵垢下方和螺旋的縫隙內(nèi)局部濃縮，從而使該處溶解氧和介質(zhì)濃度急劇增加，當(dāng)達(dá)到一定濃度后，水冷壁管局部會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

(3) 受較大交變熱應(yīng)力的影響，水冷壁管在熱疲勞載荷作用下，在內(nèi)壁腐蝕缺陷處起裂擴(kuò)展，裂紋經(jīng)過疲勞和腐蝕的共同作用，最終導(dǎo)致泄漏。

(4) 與背火側(cè)相比，向火側(cè)腐蝕更為嚴(yán)重，向火側(cè)管壁承受較大的交變熱應(yīng)力，腐蝕與熱疲勞的交互作用使得裂紋更容易在向火側(cè)中部起裂擴(kuò)展，這是樣管泄漏位置全部位于向火側(cè)的主要原因。