電站鍋爐水冷壁管的泄漏原因及應(yīng)對(duì)措施研究

趙文宇

（中國(guó)石油大慶石化公司熱電廠鍋爐車間 163714）

從電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，造成電站非計(jì)劃停機(jī)的主要原因是四管泄漏，超過(guò)事故總數(shù)的一半以上。四管泄漏嚴(yán)重威脅機(jī)組安全，造成資源的浪費(fèi)，歷來(lái)被電廠所重視。作為鍋爐的關(guān)鍵部件，水冷壁管一旦發(fā)生失效，將會(huì)嚴(yán)重威脅鍋爐運(yùn)行安全，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了較為深入的研究，水冷壁管的泄漏形式主要有煙氣側(cè)腐蝕和水汽側(cè)腐蝕2種，腐蝕發(fā)生后會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而擴(kuò)大，假如放任腐蝕繼續(xù)發(fā)展，就會(huì)造成水冷壁管失效 。

本文以某電廠030/17.5-YM9型號(hào)的600MW機(jī)組所使用的鍋爐為例，該鍋爐的蒸發(fā)量為1762t/h。水冷壁管形式為內(nèi)螺紋管，在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)后，近期經(jīng)常發(fā)生泄漏，本文將分析其泄漏原因，找到導(dǎo)致水冷壁管腐蝕的誘因，探索其失效機(jī)理，有針對(duì)性地提出相應(yīng)措施，保障機(jī)組的運(yùn)行安全，為其他水冷壁管失效問(wèn)題提供借鑒。

1 試驗(yàn)

經(jīng)檢查，水冷壁管的泄漏位置為右側(cè)第八根，泄漏處呈現(xiàn)明顯的橫向裂紋，并在漏點(diǎn)上方因高溫產(chǎn)生爆管，尺寸為φ51mm×5.6mm，該水冷壁由20碳素結(jié)構(gòu)鋼制成，已累計(jì)運(yùn)行9.7萬(wàn)h。如圖1所示，水冷壁管泄漏處存在輕微結(jié)焦，裂紋長(zhǎng)度10mm，但無(wú)明顯變形，這些裂紋均處于向火側(cè)。

圖1 水冷壁管泄漏處

采用專用工具將上圖1的水冷壁管縱向剖開(kāi)發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁殘留黑灰色垢層，并可見(jiàn)貫通的橫向裂紋，如圖2所示。

圖2 水冷壁管泄漏處內(nèi)壁

采用超聲清洗的方法清除管壁污垢后發(fā)現(xiàn)大量枝狀裂紋，如圖3所示，這些裂紋主要位于螺紋邊緣，且處于向火側(cè)，背火側(cè)只存在一些點(diǎn)蝕而無(wú)裂紋，但這些點(diǎn)石依然位于螺紋邊緣。

圖3 水冷壁管裂紋與點(diǎn)蝕

如圖4所示，失效部分的水冷壁管的壁厚無(wú)明顯變化，向火側(cè)呈現(xiàn)出由內(nèi)壁向外壁延伸的腐蝕結(jié)構(gòu)，深度達(dá)到管壁厚度的一半，并開(kāi)始出現(xiàn)橫向擴(kuò)展。

圖4 失效部分水冷壁管的橫截面

采用進(jìn)口光譜儀分析水冷壁管的化學(xué)成分，結(jié)果顯示，該水冷壁管完全符合國(guó)家相關(guān)技術(shù)文件的要求。再利用金相顯微鏡分析其組織結(jié)構(gòu)，如圖5所示，該水冷壁管的顯微組織為鐵素體+珠光體，均符合國(guó)家相關(guān)要求，對(duì)于運(yùn)行了9.6萬(wàn)小時(shí)的水冷壁管而言，珠光體球化等級(jí)符合水冷壁管運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，且向火側(cè)與背火側(cè)的組織結(jié)構(gòu)相同。

圖5 水冷壁管金相顯微鏡下的組織結(jié)構(gòu)

如圖6所示，水冷壁管失效處的管壁發(fā)生了明顯的腐蝕現(xiàn)象，形成了多個(gè)帶狀腐蝕坑，向火側(cè)蝕坑數(shù)量多、深度大，并呈現(xiàn)出穿晶形式的擴(kuò)展裂紋，裂紋深度幾個(gè)毫米，背火側(cè)雖然也存在一定數(shù)量的蝕坑，但明顯少于向火側(cè)，且無(wú)明顯擴(kuò)展。

圖6 失效管段向火側(cè)和背火側(cè)內(nèi)壁的顯微組織

在電子顯微鏡下觀察失效水冷壁管內(nèi)壁垢層，如圖7、8所示，可知垢層的主要成分為Fe元素，O元素和Cu元素。

圖7 內(nèi)壁垢層的SEM形貌及能譜

圖8 腐蝕坑SEM形貌

如圖9所示，水冷壁管失效處裂紋的主要成分為Fe的氧化物。

圖9 向火側(cè)裂紋的SEM形貌及EDS圖譜

2 結(jié)果與討論

水冷壁管內(nèi)的氧化鐵垢層大大提高了其熱阻，使熱量無(wú)法及時(shí)擴(kuò)散至水中，受到持續(xù)高溫的作用，并且螺紋與水垢還減弱了管內(nèi)水的流通，使水內(nèi)的介質(zhì)大量沉積，高濃度的介質(zhì)導(dǎo)致水冷壁管發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，電化學(xué)腐蝕的程度逐漸增加，在上文的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，水冷壁管向火側(cè)蝕坑數(shù)量多、深度大，腐蝕現(xiàn)象明顯高于背火側(cè)，對(duì)其原因進(jìn)行分析可知：水冷壁管的向火側(cè)與背火側(cè)溫差較大，溫度高的一側(cè)爐水濃縮的速度更快、濃度更大，溫度低的一側(cè)爐水濃縮的速度慢、濃度低，這時(shí)就會(huì)發(fā)生濃差電池反應(yīng)，溫度高的一側(cè)是陽(yáng)極，陽(yáng)極反應(yīng)導(dǎo)致金屬的腐蝕速度大大加快。向火側(cè)的溫度更高，局部爐水電導(dǎo)率變大，腐蝕速度隨著電流變大而加快，就形成了比背火測(cè)更加嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。由于向火側(cè)與背火側(cè)溫差較大，還會(huì)引起電化學(xué)反應(yīng)，背火側(cè)是陰極，觸發(fā)了陰極金屬電化學(xué)保護(hù)作用，降低了腐蝕速度。

在顯微組織試驗(yàn)中顯示向火側(cè)蝕坑數(shù)量多、深度大，呈現(xiàn)出穿晶形式的擴(kuò)展裂紋，裂紋深度幾個(gè)毫米，而背火側(cè)雖然存在一定數(shù)量的蝕坑，但明顯少于向火側(cè)，且無(wú)明顯擴(kuò)展。如圖10所示，沿著向火側(cè)裂紋掰開(kāi)水冷壁管觀察其斷口，可見(jiàn)裂紋的起點(diǎn)為內(nèi)壁蝕坑，且呈放射狀擴(kuò)展，顯示了明顯的疲勞斷裂形貌，這是因?yàn)橄蚧饌?cè)的水冷壁管長(zhǎng)期處于交變熱應(yīng)力的作用下，由蝕坑開(kāi)始發(fā)生了疲勞裂紋。在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，受熱疲勞載荷反復(fù)作用，裂紋逐漸擴(kuò)展，最終貫穿水冷壁，形成了外壁橫向裂紋。此外，裂紋表面還附著著垢層，受到氧化腐蝕的作用，在交變載荷與氧化腐蝕的雙重作用下，疲勞裂紋附近的介質(zhì)不斷沉積，形成了惡性循環(huán)，導(dǎo)致裂紋的速度逐漸增加，在近期出現(xiàn)多起水冷壁管泄漏事故。

圖10 向火側(cè)水冷壁管斷口SEM形貌

隨著我國(guó)能源格局的不斷優(yōu)化，調(diào)峰電源的需求量增大，火電機(jī)組調(diào)風(fēng)適應(yīng)能力強(qiáng)，已成為調(diào)峰電源的主力，致使機(jī)組需要經(jīng)常啟停，負(fù)載的升降也成為常態(tài)。這種變化會(huì)引起水冷壁管所受的溫度波動(dòng)增大，對(duì)水冷壁管造成一定的沖擊，受到交變應(yīng)力的作用，長(zhǎng)期處于這種狀態(tài)下，水冷壁管的向火側(cè)容易產(chǎn)生疲勞裂紋，向火側(cè)還受到電化學(xué)腐蝕的作用，因此，向火側(cè)的腐蝕和裂紋情況要比背火側(cè)嚴(yán)重許多，致使向火側(cè)經(jīng)常發(fā)生泄漏。

3 處理措施

腐蝕和疲勞裂紋都是緩慢發(fā)生的，需要長(zhǎng)時(shí)間的積累才能導(dǎo)致水冷壁管泄漏，機(jī)組日常運(yùn)行時(shí)，就要定期開(kāi)展安全評(píng)估，將運(yùn)行環(huán)境惡劣的部位作為重點(diǎn)評(píng)估對(duì)象，一旦發(fā)現(xiàn)損傷程度達(dá)到更換標(biāo)準(zhǔn)，要立即進(jìn)行更換。腐蝕和疲勞裂紋造成的泄漏可以從引起泄漏的原因出發(fā)，采取有效的措施阻止或延緩泄漏的發(fā)生。

定期對(duì)鍋爐進(jìn)行除垢作業(yè)，在鍋爐水中加入添加劑，在水冷壁管內(nèi)壁形成保護(hù)膜，阻止水垢的形成，預(yù)防腐蝕的發(fā)生。

監(jiān)測(cè)鍋爐水的水質(zhì)，定期測(cè)定鍋爐水的成分，控制水中的氧含量，保證鍋爐排污裝置正常運(yùn)行，監(jiān)測(cè)鍋爐水中的金屬離子含量，加入中合劑消除過(guò)多的金屬離子，降低水冷壁管內(nèi)的污垢附著。

嚴(yán)格按照鍋爐運(yùn)行制度控制鍋爐的起停速率，使鍋爐負(fù)荷變化平穩(wěn)，盡量避免頻繁啟停，降低因頻繁啟停引起的熱應(yīng)力損害。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）水冷壁管的泄漏處呈現(xiàn)明顯的橫向裂紋，該水冷壁已累計(jì)運(yùn)行9.7萬(wàn)h，由20碳素結(jié)構(gòu)鋼制成，顯微組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化等級(jí)符合水冷壁管運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且向火側(cè)與背火側(cè)的組織結(jié)構(gòu)相同，說(shuō)明水冷壁管的泄漏原因與材料本身的質(zhì)量無(wú)關(guān)。（2）水冷壁管失效處的管壁發(fā)生了明顯的腐蝕現(xiàn)象，形成了多個(gè)帶狀腐蝕坑，向火側(cè)蝕坑數(shù)量多、深度大，內(nèi)壁垢層的主要成分為Fe元素、O元素和Cu元素，受到持續(xù)高溫的作用，螺紋與水垢減弱了管內(nèi)水的流通，使水內(nèi)的介質(zhì)大量沉積，高濃度的介質(zhì)導(dǎo)致水冷壁管發(fā)生電化學(xué)腐蝕。（3）沿著向火側(cè)裂紋掰開(kāi)水冷壁管觀察其斷口，裂紋的起點(diǎn)為內(nèi)壁蝕坑，且呈放射狀擴(kuò)展，符合疲勞斷裂形貌，由于向火側(cè)的水冷壁管長(zhǎng)期處于交變熱應(yīng)力的作用下，由蝕坑開(kāi)始發(fā)生了疲勞裂紋，在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，受熱疲勞載荷反復(fù)作用，裂紋逐漸擴(kuò)展，最終貫穿水冷壁引起泄漏。（4）向火側(cè)與背火側(cè)溫差較大，溫度高的一側(cè)爐水濃度大，溫度低的一側(cè)爐水濃度低，發(fā)生濃差電池反應(yīng)，導(dǎo)致向火側(cè)金屬的腐蝕速度大于背火側(cè)。向火側(cè)承受的溫差更大，受到交變熱應(yīng)力的作用更強(qiáng)，更容易產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致向火側(cè)更容易發(fā)生泄漏。