某鍋爐水冷壁爆管原因分析

周 洋，伏 文，陳 晨，宋永強

（1.華電電力科學研究院有限公司山東分院，山東濟南 250014；2.山東水發(fā)實業(yè)集團有限公司，山東濟南 250100；3.華電滕州新源熱電有限公司，山東棗莊 277500；4.華電國際電力股份有限公司鄒縣發(fā)電廠，山東鄒城 273522）

隨著鍋爐參數(shù)的提高，水冷壁爆管問題頻頻發(fā) 生〔1〕。有研究表明，鍋爐水冷壁爆管事故發(fā)生的主要原因有腐蝕〔2〕、磨損〔3〕、應力撕裂〔4〕、焊接〔5〕、材質(zhì)〔6〕及過熱〔7〕等。

某電廠1號鍋爐型號為SG-480∕13.7-M767（上海鍋爐廠有限公司），為超高壓、中間一次再熱、自然循環(huán)汽包爐；布置方式為單爐膛平衡通風、∏型布置、四角切圓燃燒、固態(tài)排渣方式；鍋爐本體為露天布置，鋼球磨中間儲倉式乏氣送粉系統(tǒng)，全鋼雙排柱構架懸掛結構。爐膛由密封性能較好的D60 mm×6 mm光管（SA210C）焊扁鋼（20 g）組成膜式水冷壁，外面敷設保溫巖棉和金屬護板，爐膛截面深×寬為9 600 mm×9 600 mm，寬深比為1∶1。1號鍋爐于2003年投產(chǎn)，累計運行約1×105h。2020年11月1日4：00 1號鍋爐點火，9：15并網(wǎng)。11月12日21：39 1號鍋爐3#角左側水冷壁管發(fā)生泄漏。筆者對該鍋爐水冷壁爆管原因進行分析，在此基礎上提出預防與監(jiān)督措施，對于電廠的安全經(jīng)濟運行具有一定指導意義。

1 水冷壁爆管檢查結果

1.1 宏觀形貌

通風冷卻后，檢修人員進入鍋爐內(nèi)檢查。爆管位置處于3#角左數(shù)第38根，標高約12.5 m處水冷壁管向火側，位置及爆口斷面見圖1。爆口長×寬約375 mm×2.5 mm，爆口沿軸向開裂，裂口走向較曲折，斷面粗糙，邊緣無明顯減薄，除爆口開裂時引起的輕微脹開與變形外，爆口位置管段塑性變形不明顯，呈脆性開裂特征。

圖1 爆口管位置（a）及斷面（b）照片F(xiàn)ig.1 Photosof bursttubelocation（a）and cracking-off section（b）

1.2 金相分析

對爆口附近進行金相分析。遠離爆口邊緣的向火側金相照片見圖2，爆口邊緣的金相照片見圖3。

圖2 遠離爆口邊緣的向火側金相組織Fig.2 Metallographic structure of fireward side far from the edge of the burst

圖3 爆口邊緣的金相組織Fig.3 Metallographic structure of bursting edge

由圖2可見，遠離爆口邊緣的向火側內(nèi)壁存在較多腐蝕坑，但腐蝕坑較淺，金相取樣發(fā)現(xiàn)的最深腐蝕坑約186μm，腐蝕坑底部未發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳和微裂紋；近外壁的金相組織為典型的鐵素體+珠光體，且組織無明顯的球化特征，未發(fā)現(xiàn)明顯脫碳和微裂紋。圖3中，斷口截面主要為沿晶斷裂特征，在斷口附近靠近管內(nèi)壁側的顯微組織中還存在大量沿晶微裂紋，并伴有明顯脫碳現(xiàn)象，且越靠近管內(nèi)壁側脫碳越明顯，微裂紋也越多；稍遠離斷口邊緣的管內(nèi)壁也可見明顯的脫碳和微裂紋?？梢姡⒘鸭y和脫碳主要集中于管內(nèi)壁側。

1.3 拉伸試驗

對爆口管和正常管取樣進行拉伸試驗，結果如表1所示。

表1 拉伸試驗數(shù)據(jù)Table 1 Tensile test data

爆口管向火側試樣斷裂腐蝕坑位置如圖4所示，其抗拉強度值顯著較低；其余樣品的抗拉強度及屈服強度均滿足ASME SA210C標準要求，斷后伸長率數(shù)值略低于上述標準要求（弧形試樣的斷后伸長率數(shù)值本身比美標的整管拉伸數(shù)值低，管段焊有鰭片不宜采用整管拉伸，因此此處延伸率數(shù)值僅供參考）。

圖4 爆口管向火側試樣測試后斷裂位置Fig.4 Fractureposition of bursting tube tothefire sideafter testing

1.4 硬度檢驗

在爆口管段不同位置取樣進行硬度測試，取樣位置如圖5所示。在爆口管向火側無塊狀垢層或明顯腐蝕坑的位置取試樣1-J1，垢層脫落呈灰褐色位置取試樣1-J2，大塊垢層覆蓋的位置取試樣1-J3，小塊垢層覆蓋的位置取試樣1-J4，結果如表2所示。

圖5 爆口管段硬度取樣位置Fig.5 Sampling position of bursting tube section

表2 管樣硬度測量結果（HV10）Table 2 Results of hardness measurement of tube sample（HV10）

由表2可見，各試樣硬度較為均勻，換算成布氏硬度后符合《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》（DL∕T 438—2016）對SA10C硬度130～179 HB的規(guī)定。

1.5 結垢、腐蝕評價及垢樣分析

依據(jù)《火力發(fā)電廠機組大修化學檢查導則》（DL∕T 1115—2019），對水冷壁管向火側進行結垢與腐蝕評價。得出水冷壁管向火側內(nèi)壁垢量為984.15 g∕m2，結垢速率為138.61 g∕（m2·a），結垢評價為三類；水冷壁管向火側內(nèi)壁局部點蝕深度＞1 mm，腐蝕評價為三類。

在水冷壁管內(nèi)壁取垢樣進行成分分析（能譜半定量），結果如圖6所示。可知垢樣的主要成分為O和Fe，此外還有少量P、Si、Ca、Mg、Zn、Al等。

圖6 垢樣能譜分析Fig.6 Energy spectrum analysis of scale

2 爆管原因分析

由各項理化性能檢驗結果，對爆管原因進行分析。

2.1 直接原因

水冷壁管向火側內(nèi)壁結垢評價為三類，管段內(nèi)壁結垢速率較高。水冷壁管向火側腐蝕評價為三類，且存在大量腐蝕坑；爆口管段斷口附近金相組織中存在大量沿晶微裂紋，微裂紋內(nèi)部有明顯脫碳，越靠近內(nèi)壁微裂紋越多。以上特征符合水冷壁管氫腐蝕的典型特征，分析認為水冷壁管開裂的直接原因為氫腐蝕。

2.2 氫腐蝕機理

當水冷壁管處于熱負荷高、沉積量大的狀態(tài)時，爐水高度濃縮，其中的氯化物發(fā)生水解，如式（1）～式（4）所示。不溶性的氫氧化物發(fā)生沉積，垢下爐水pH大大降低，從而發(fā)生酸性腐蝕。

爐管內(nèi)表面發(fā)生陰極反應，由于垢的阻擋作用，產(chǎn)生的氫原子無法立即被爐水帶走，部分氫擴散到水冷壁管內(nèi)，在高溫高壓下與鋼材的滲碳體發(fā)生反應，使鋼材脫碳并產(chǎn)生甲烷氣體。甲烷在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生極大內(nèi)應力，使鋼材發(fā)生鼓泡和裂紋，進一步降低鋼材的韌性和強度，并發(fā)生脆裂〔8〕。反應式見式（5）～式（7）。

2.3 垢層形成原因

（1）凝汽器管滲漏。查閱運行記錄發(fā)現(xiàn)，因材質(zhì)或安裝原因，部分時段凝汽器出現(xiàn)多次滲漏，導致循環(huán)冷卻水中部分鈣鎂離子漏入熱力系統(tǒng)，這是水冷壁沉積物中含銅、鈣、鎂、鋅等成分的主要原因。

（2）鍋爐定期排污未執(zhí)行。查閱檢修記錄發(fā)現(xiàn)定期排污的程控邏輯存在隱患，鍋爐右側排污聯(lián)箱電動二次門未納入正常程控邏輯，進行定期排污時運行人員未手動開啟鍋爐右側排污聯(lián)箱電動二次門，造成定期排污未真正有效執(zhí)行。

（3）水汽循環(huán)不良。1號鍋爐為自然循環(huán)鍋爐，水流經(jīng)水冷壁管不同回路時，因流量分配不同水循環(huán)易產(chǎn)生渦流或不暢通，水汽中的鐵氧化物易在此處沉積。

（4）停（備）用保護執(zhí)行不到位。查閱機組停（備）用記錄，目前該鍋爐停（備）用保護方法常采用氨水堿化烘干法。依據(jù)《火力發(fā)電廠停（備）用熱力設備防銹蝕導則》（DL∕T 956—2017），在執(zhí)行該保護方法時，要求鍋爐汽包壓力降至0.6～1.6 MPa時迅速放盡爐水，利用爐膛余熱烘干鍋爐受熱面。但實際執(zhí)行中鍋爐放水時的汽包壓力通常在0.2～0.4 MPa，存在放水壓力低、受熱面殘水未放盡、烘干不徹底的情況。

（5）機組冷態(tài)啟動期間水汽指標不合格。因電網(wǎng)調(diào)度要求，機組從停（備）用到機組點火、并網(wǎng)時間較短，機組啟動存在冷熱態(tài)沖洗不徹底、水汽指標不合格等問題。從下達開機令到鍋爐點火，最短僅2 h，無法對鍋爐進行徹底沖洗，存在水汽指標不合格就點火、并網(wǎng)的情況。如2020年3月曾出現(xiàn)機組并網(wǎng)時爐水取樣為銹紅色，并網(wǎng)8 h時各項水汽指標均未達到運行水汽監(jiān)督指標要求。

（6）未嚴格執(zhí)行水冷壁割管檢查要求。根據(jù)《火力發(fā)電廠機組大修化學檢查導則》（DL∕T 1115—2019）的要求，“割管宜選擇在頂層燃燒器上部等熱負荷最高的部位；或特殊彎管、冷灰斗處彎（斜）管等水汽循環(huán)不良部位；或中間聯(lián)箱引出管進入爐膛等可能存在水汽相變、流體擾動的部位”。1號機組于2013年、2019年進行2次大修，但只對燃燒器上部水冷壁進行割管檢查，未檢查特殊彎管、冷灰斗處彎（斜）管等水汽循環(huán)不良部位。此次鍋爐水冷壁爆管，恰好發(fā)生在冷灰斗處熱負荷不高、水汽循環(huán)不良部位。

3 建議及預防措施

（1）按鍋爐主蒸汽壓力等級，參考《火力發(fā)電廠鍋爐化學清洗導則》（DL∕T 794—2012）化學清洗條件，可知該鍋爐清洗間隔年限及垢量已達到清洗條件（垢量＞250 g∕m2、清洗間隔年限5～10 a），應按標準規(guī)定對水冷壁管進行化學清洗，去除管內(nèi)壁的沉積物。

（2）全面排查水冷壁管尤其是噴燃器周圍高負荷區(qū)受熱面是否存在過熱或結焦情況，檢查局部水循環(huán)是否存在渦流或不暢通情況，對存在異常的水冷壁管段進行技改或更換。

（3）做好鍋爐排污運行管理工作，運行中保持一定連續(xù)排污開度，并有效執(zhí)行爐底定期排污，避免爐水含鹽量大幅波動，嚴格控制爐水各項指標滿足標準要求。

（4）加強啟機、停備及檢修期間的化學監(jiān)督工作，消除產(chǎn)生氫腐蝕的源頭。如與調(diào)度協(xié)商機組點火及并網(wǎng)時間，加強冷態(tài)啟動期間水汽品質(zhì)監(jiān)督控制；提高機組停（備）用保護執(zhí)行力；擴大水冷壁割管檢查范圍，增加特殊彎管、冷灰斗處彎（斜）管等水汽循環(huán)不良部位等。

（5）運行中應嚴格控制機組水汽品質(zhì)，當發(fā)現(xiàn)凝汽器管滲漏等水汽質(zhì)量劣化時，按照《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質(zhì)量》（GB∕T 12145—2016）規(guī)定的“三級處理”要求執(zhí)行。

4 結論

（1）1號鍋爐水冷壁發(fā)生爆管的主要原因為爐管沉積物下的介質(zhì)濃縮從而發(fā)生氫腐蝕。

（2）爐管發(fā)生沉積的原因有多方面，如凝汽器管滲漏、未執(zhí)行鍋爐定期排污、機組水汽存在循環(huán)不良、機組停（備）用保護執(zhí)行不到位、機組冷態(tài)啟動期間水汽指標不合格、檢修未嚴格執(zhí)行水冷壁割管檢查要求等。