鍋爐水冷壁區(qū)域高溫腐蝕及橫向裂紋原因及對策分析

韓家才

天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津，300050

0 引言

1 鍋爐水冷壁區(qū)域高溫腐蝕原因及其預(yù)防對策

1.1 高溫腐蝕的原因

鍋爐水冷壁煙氣一側(cè)高溫腐蝕過程是相對復(fù)雜的，一般情況下，認(rèn)為導(dǎo)致鍋爐水冷壁高溫腐蝕的因素主要有以下幾點(diǎn)：

第一，燃煤含硫量較高，其主要作用于水冷壁外管。

第二，鍋爐內(nèi)含有可燃物的煤粉火焰對鍋爐水冷壁外管面直接產(chǎn)生沖刷。

第三，水冷壁長時間處于還原性氣氛環(huán)境中，產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)。

第四，水冷壁所處的環(huán)境中煤含硫量較高，水冷壁外部沉積物化學(xué)構(gòu)成也容易造成高溫腐蝕產(chǎn)生。

第五，水冷壁外部因?yàn)殚L期受到含有大量未燃燼煤粉火焰的沖刷，導(dǎo)致硫化亞鐵和煤粉顆粒一起附著在壁管上，在爐內(nèi)催化作用下，形成原子S和SO3，對水冷壁造成高溫腐蝕[3]。

第六，在鍋爐缺氧環(huán)境下，水冷壁面附近還原性氣體中的H2S與CO濃度較大的情況下，會導(dǎo)致水冷壁出現(xiàn)高溫腐蝕現(xiàn)象。相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，處于還原性環(huán)境中，煙氣中H2S的濃度超過0.01%時，會導(dǎo)致鋼材的腐蝕作用加大，尤其是在300℃～500℃情況下，腐蝕性進(jìn)一步增強(qiáng)。

黑龍江省超前完成全面建立河長制目標(biāo)，啟動“一河一策”方案編制工作。印發(fā)水資源“雙控行動”實(shí)施方案和工作方案，制定烏裕爾河、訥謨爾河、雙陽河、牡丹江4條跨市江河流域水量分配方案。開展取水許可權(quán)限下放，明確職能承接要求。加強(qiáng)農(nóng)業(yè)灌溉取水許可管理。制定地下水壓采方案，出臺農(nóng)業(yè)水價綜合改革實(shí)施計劃，完成年度縣域節(jié)水型社會建設(shè)任務(wù)，修訂《用水定額》地方標(biāo)準(zhǔn)，部分調(diào)整水資源費(fèi)和水土保持補(bǔ)償費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)。制定水功能區(qū)、入河排污口監(jiān)督管理辦法實(shí)施細(xì)則。印發(fā)重要飲用水水源地安全保障達(dá)標(biāo)規(guī)劃，各地制定重要飲用水源地突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案。

1.2 高溫腐蝕防治對策

針對以燃煤為主要能源消耗的電廠鍋爐來說，煤質(zhì)具有含硫量高的特性，所以，針對這類鍋爐水冷壁的高溫腐蝕問題，需要采取具有一定針對性的預(yù)防和防治措施：

第一，要合理選擇熱力參數(shù)以及爐膛結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保爐膛出口溫度適宜。一般來說，要選擇合理的邊排燃燒器到側(cè)水冷壁距離，下排燃燒器到冷灰斗拐點(diǎn)距離，能夠避免火焰對水冷壁外壁的直接沖刷，這樣可以減少爐膛水冷壁結(jié)渣以及高溫腐蝕問題的發(fā)生[4]。此外，還要選擇合理的上排燃燒器到屏底的距離，將屏底的煙溫控制在合理水平，防止高溫腐蝕。

第二，科學(xué)設(shè)置內(nèi)管參數(shù)，強(qiáng)化工質(zhì)側(cè)傳熱現(xiàn)象，還要降低水冷壁管表面溫度水平，減少高溫腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

第三，在燃燼風(fēng)選擇上，可以選擇雙氣流結(jié)構(gòu)以及相關(guān)布置形式，燃燼風(fēng)封口一般有兩股氣流，即中央部位氣流，這種氣流能夠直接穿透進(jìn)入爐膛中心位置，補(bǔ)充燃燼中需要的空氣，邊部風(fēng)是旋轉(zhuǎn)氣流，容易在水冷壁表面形成氧化環(huán)境，這樣可以防止煤粉顆粒對水冷壁的沖刷作用[5]。在燃燼風(fēng)口要進(jìn)一步優(yōu)化相應(yīng)的布置形式，讓燃燼風(fēng)沿著爐寬方向覆蓋一次風(fēng)，避免粉煤顆粒出現(xiàn)逃逸情況，這樣也可以避免燃燒器區(qū)域接近兩邊墻體的位置出現(xiàn)高溫腐蝕現(xiàn)象。一般可以在燃燼風(fēng)布置中，靠近側(cè)墻位置布置最佳，這樣就可以形成一個局部的低溫風(fēng)屏，對于火焰沖刷作用能夠形成一個屏障，有效保護(hù)水冷壁不受火焰沖刷。

第四，進(jìn)一步調(diào)整燃燒器脫戰(zhàn)錐的角度，避免鍋爐火焰過早地擴(kuò)散造成對于水冷壁的沖刷。

第五，采取上述措施還不能完全避免水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以嘗試使用在水冷壁和高溫受熱面進(jìn)行抗腐蝕噴涂，噴涂處理一次性投資會比較大，但是能夠防止因?yàn)楦g導(dǎo)致的壁管變薄以及換管情況，這對于鍋爐的長期有效運(yùn)營效益實(shí)現(xiàn)也是有利的。

2 水冷壁橫向裂紋原因及防治對策

2.1 橫向裂紋原因

電廠鍋爐運(yùn)行中，導(dǎo)致水冷壁出現(xiàn)橫向裂紋的因素比較多，在國內(nèi)大容量機(jī)組中，很多直流鍋爐都出現(xiàn)過橫向裂紋引發(fā)的泄漏事故。因?yàn)樨?fù)荷變化導(dǎo)致水冷壁的壁溫出現(xiàn)波動，由此產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，這是鍋爐自然循環(huán)中常見的現(xiàn)象[6]。所以，對于鍋爐特征以及相關(guān)運(yùn)行情況，需要做好分析，把握導(dǎo)致橫向裂紋的具體原因，才能夠采取針對性的預(yù)防和防治措施。

2.1.1 水冷壁管失效特征

導(dǎo)致鍋爐受熱面管子失效的因素較多，材料方面、溫度方面、應(yīng)力作用、環(huán)境因素等，不同因素導(dǎo)致的損壞也是不一樣的，對應(yīng)的機(jī)理也是不同的。所以，需要對于水冷壁管失效形式進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。從鍋爐水冷壁裂紋管的外形來看，裂紋泄漏位置的破口并不大，管段也不會有明顯的脹粗情況，所以管壁的減薄量較小。針對爐內(nèi)水冷壁外觀檢查可以看出，在燃燒器周圍水冷壁管子外壁上，存在厚度約為1mm的氧化皮，這是鍋爐在運(yùn)行中，因?yàn)槿紵袌A過大或傾斜導(dǎo)致的火焰貼壁導(dǎo)致的。不過，在右側(cè)水冷壁裂紋泄漏位置并沒有出現(xiàn)氧化皮現(xiàn)象。在開展金相檢查后發(fā)現(xiàn)，裂紋管向火位置的內(nèi)外壁都有碳化物聚集，其中包含碳素體聚集和石墨析出導(dǎo)致的球化現(xiàn)象。所以，可以判斷水冷管失效并不是短期超溫導(dǎo)致的。

通過肉眼觀察，裂紋管向火側(cè)內(nèi)壁上出現(xiàn)了很多垂直于管子軸線的環(huán)向裂紋，這種裂紋呈現(xiàn)縫隙狀，管子內(nèi)壁上也有很多細(xì)小的裂紋。這種裂紋主要是因?yàn)榻蛔儫釕?yīng)力導(dǎo)致的熱疲勞裂紋[7]。

2.1.2 結(jié)垢

針對出現(xiàn)橫向裂紋的水冷壁壁管進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)在水冷壁內(nèi)壁中，結(jié)垢的情況比較突出。在CE公司規(guī)定中，結(jié)垢量超過15mg/cm2屬于中等結(jié)垢，結(jié)垢量超過40mg/cm2屬于嚴(yán)重結(jié)垢現(xiàn)象。通過對相關(guān)電廠的鍋爐水冷壁結(jié)垢現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)水冷壁內(nèi)壁結(jié)垢物質(zhì)中，含鐵量比較高，氧化銅含量也超標(biāo)，磷酸鹽成分較低。結(jié)合相關(guān)試樣情況分析，這種管內(nèi)結(jié)垢已經(jīng)屬于嚴(yán)重情況了。在檢查的樣本館內(nèi)，不僅有坑蝕，一些位置的內(nèi)螺紋已經(jīng)完全被腐蝕了。相對而言，背火側(cè)管的內(nèi)壁更加干凈，結(jié)垢現(xiàn)象幾乎沒有[8]。就這類鍋爐水冷壁其他部位的切割和檢查結(jié)果來看，不同位置管子的結(jié)垢程度是有一定差異的。研究發(fā)現(xiàn)，水冷壁的管道結(jié)垢后出現(xiàn)的水冷壁管金相組織結(jié)構(gòu)的分裂?？梢姡傅漠a(chǎn)生導(dǎo)致管道金相組織出現(xiàn)很多裂縫，這些污垢不斷腐蝕管道，日積月累，導(dǎo)致水冷壁最終爆管，產(chǎn)生泄漏。相對而言，水垢的導(dǎo)熱系數(shù)相對水管是比較低的，一般為金屬導(dǎo)管導(dǎo)熱系數(shù)的幾十分之一，因?yàn)樗傅拇嬖冢瑫?dǎo)致水冷壁的導(dǎo)熱系數(shù)大大降低，也會造成管壁溫度的快速上升，而且水垢在相應(yīng)狀態(tài)下，因?yàn)殡娀瘜W(xué)作用，可能產(chǎn)生微電池效應(yīng)，如果給水中含有大量的鐵離子、銅離子時，就會加重結(jié)垢現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生對管道的腐蝕作用。

通過對某電廠的鍋爐水冷壁泄漏管樣本的分析調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水冷壁管子橫向裂紋和垢下腐蝕關(guān)系較大。要是酸洗不能及時進(jìn)行，水冷壁結(jié)垢情況會進(jìn)一步加重?？梢姡浔诮Y(jié)垢和熱負(fù)荷之間是線性關(guān)系，一般區(qū)域熱負(fù)荷情況越高，水冷壁管子的內(nèi)壁結(jié)垢情況也會越嚴(yán)重，由此產(chǎn)生的腐蝕情況也會越嚴(yán)重。

2.2 水冷壁橫向裂紋防治對策

針對水冷壁橫向裂紋進(jìn)行防治，需要采取正確的防治方法，這對于減少水冷壁泄漏問題、延長水冷壁使用期限都具有重要作用。所以，針對水冷壁橫向裂紋，應(yīng)該采取的措施包括以下幾點(diǎn)：

第一，在鍋爐工作的過程中，要做好質(zhì)量監(jiān)控工作，尤其是對汽包水位進(jìn)行密切監(jiān)督，及時調(diào)整異常現(xiàn)象，確保水位的穩(wěn)定。對于爐內(nèi)的熱負(fù)荷要做好妥善的分配處理，確保熱負(fù)荷平衡均勻分布，避免火焰偏斜的現(xiàn)象發(fā)生。如果鍋爐內(nèi)的給水溫度出現(xiàn)下降情況，此時需要對總?cè)紵窟M(jìn)行控制，杜絕低強(qiáng)帶負(fù)荷出現(xiàn)造成水冷壁管破裂。

第二，進(jìn)行化學(xué)制水時，對于相關(guān)的化學(xué)制水工序、設(shè)備、器材等進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)察，及時關(guān)注相關(guān)參數(shù)，確保每一個環(huán)節(jié)的制水都能符合質(zhì)量要求，對于一些裝置進(jìn)行定期檢查和更換，確保制作效果，例如，針對化學(xué)除氧的乙醛裝置需進(jìn)行有效檢查，必要時實(shí)施更換，確保除氧達(dá)標(biāo)。

第三，要針對汽輪機(jī)的凝汽器真空裝置進(jìn)行檢查，確保真空系統(tǒng)的密封性完好無損，防止因?yàn)樾孤懂a(chǎn)生的鍋爐給水污染，對于凝結(jié)水的水質(zhì)要進(jìn)行化驗(yàn)處理，及時掌握水質(zhì)異常的環(huán)節(jié)，以便針對性地采取補(bǔ)救措施。

第四，在鍋爐開始啟動后，要對鍋爐爐內(nèi)的溫度、氣壓等進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保溫度和氣壓都能穩(wěn)步緩慢提升，避免出現(xiàn)快速升溫和升壓現(xiàn)象出現(xiàn)，這需要在進(jìn)行開始的爐內(nèi)上水時，就嚴(yán)格對水文和汽包上下壁溫差進(jìn)行控制。

第五，在停爐以前，要減少燃燒量，把握好減負(fù)荷的速度，對于爐內(nèi)的水溫、氣壓等情況進(jìn)行密切的關(guān)注和監(jiān)察，及時發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，并能快速響應(yīng)。

第六，鍋爐水冷壁管爆管的原因中，腐蝕也是最常見的原因之一，因此，需要針對鍋爐的水冷壁管腐蝕問題，制定相應(yīng)的防腐蝕方案，對于可能出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)察和管控。結(jié)垢導(dǎo)致管道腐蝕的重要因素之一，在水冷壁運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)大部分的污垢的主要成分是鹽類，針對這類污垢進(jìn)行防治，可以通過酸洗的方式來實(shí)現(xiàn)，這種防垢方法在管殼式換熱器中也比較常見?？梢允褂糜袡C(jī)酸和無機(jī)酸作為主要酸洗溶液，其中，有機(jī)酸常見的有甲酸、草酸等；無機(jī)酸包含鹽酸、硝酸等。實(shí)施酸洗處理中，需要對照換熱器主要結(jié)垢以及工藝等情況，針對換熱器材質(zhì)以及污垢成分分析后，選擇適宜的酸洗溶液來進(jìn)行酸洗除垢，還需要注意相關(guān)酸洗溶液對管道的腐蝕情況。這種防垢技術(shù)以化學(xué)原理為基礎(chǔ)，其中包含了溶解作用、剝離作用、疏松作用。目前，相關(guān)技術(shù)不斷改進(jìn)，鍋爐水冷壁防垢方法也在不斷優(yōu)化和改善，新技術(shù)、新方法越來越多，如，磁場除垢、高壓靜電及高頻電磁場防垢、聲學(xué)防垢等新方法都得到了不同程度的應(yīng)用。在鍋爐生產(chǎn)企業(yè)中，一般多選用化學(xué)防垢技術(shù)，上述提到的幾種就是化學(xué)防垢技術(shù)。但是考慮到化學(xué)防垢處理一般成本比較高，且容易導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備和管道的腐蝕，所以應(yīng)用范圍也有一定限制。

第七，要重點(diǎn)開展對爐水的監(jiān)控工作，確保鍋爐啟動前的水做好了除鹽和除氧處理，在點(diǎn)爐后，如果發(fā)現(xiàn)水質(zhì)渾濁或者蒸汽不達(dá)標(biāo)，也要加大排污次數(shù)和量，確保不合格的水能夠通過排污處理快速被排除系統(tǒng)外。此外，為了加固水冷壁管質(zhì)量，還可以定期對水冷壁管進(jìn)行超音速電弧噴涂。

第八，做好鍋爐水冷壁的質(zhì)量和安全檢查和管理工作。重點(diǎn)檢查熱力公司的鍋爐、水冷壁、壓力容器、壓力管道等各類特種設(shè)備使用登記證照是否在檢驗(yàn)有效期內(nèi)；安全附件是否配備齊全；安全管理人員和作業(yè)人員是否具備有效證件。查看鍋爐操作人員持證上崗情況；鍋爐相關(guān)運(yùn)行、交接班和維護(hù)保養(yǎng)記錄；安全管理制度建立情況；應(yīng)急預(yù)案流程等。在檢查過程中，執(zhí)法人員要求嚴(yán)格落實(shí)特種設(shè)備安全主體責(zé)任，進(jìn)一步增強(qiáng)安全生產(chǎn)的緊迫感和責(zé)任感，加大對各項(xiàng)安全措施的監(jiān)督和管理力度，針對鍋爐水冷壁故障問題提高重視，在檢查中強(qiáng)化對鍋爐水冷壁的檢測工作，避免水冷壁區(qū)域高溫腐蝕問題能夠緩解，及時清理管道內(nèi)的結(jié)垢問題，做好預(yù)防結(jié)垢現(xiàn)象等工作，要時刻繃緊“安全”這根弦，積極開展自查自糾，排查生產(chǎn)安全隱患，做到及早發(fā)現(xiàn)，及時處置，確保供熱系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

鍋爐水冷壁區(qū)域高溫腐蝕和橫向裂紋問題對于鍋爐的安全有序運(yùn)營有重要影響，會導(dǎo)致鍋爐管道泄漏，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)秩序和生產(chǎn)效益。本文對于鍋爐水冷壁區(qū)域高溫腐蝕現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析，對導(dǎo)致水冷壁橫向裂紋的因素進(jìn)行了研究，提出具體的預(yù)防和防治對策，對于指導(dǎo)電廠鍋爐運(yùn)營管理具有一定的參考價值。