電站鍋爐水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象研究

王鵬宇

(國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院 山西 太原 030001)

水冷壁的主要作用是吸收爐膛中高溫火焰或煙氣的輻射熱量，管內(nèi)的水通過熱傳導(dǎo)，變成熱水或產(chǎn)生蒸汽，以此來降低爐墻的溫度，從而達(dá)到保護爐墻的目的[1]。

水冷壁的高溫腐蝕現(xiàn)象長期以來一直是影響電站鍋爐安全運行的主要因素。尤其近年來，在國內(nèi)“雙碳”目標(biāo)持續(xù)推進(jìn)的背景下，對電站鍋爐減碳降碳要求越來越高，同時機組容量不斷增大，參數(shù)不斷提高，溫度和壓力也在不斷地提高，這就使水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的概率大幅提升，由于水冷壁腐蝕而造成的停機事故時有發(fā)生，給鍋爐的安全穩(wěn)定運行造成了嚴(yán)重影響[2-3]。因此，研究水冷壁的高溫腐蝕現(xiàn)象及其腐蝕機理具有重要意義。

筆者針對某型鍋爐水冷壁的高溫腐蝕現(xiàn)象，在實驗室專門制作了相關(guān)試樣，開展了一系列試驗方法，對照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，詳細(xì)研究和分析了腐蝕產(chǎn)物，最終確定了水冷壁產(chǎn)生高溫腐蝕的原因，并對其相關(guān)腐蝕機理進(jìn)行了深入探討，對于今后電站鍋爐水冷壁腐蝕的防護及治理具有指導(dǎo)意義和參考價值。

1 基本概況

某電站鍋爐型號為SG-2093/17.47-M913，為亞臨界、控制循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、控制循環(huán)汽包、可實現(xiàn)燃燒器擺動調(diào)溫四角切圓燃燒、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)、半封閉布置的Π型燃煤汽包鍋爐。在近期檢修中，發(fā)現(xiàn)鍋爐燃燒器高負(fù)荷區(qū)域（距A層噴燃器上0.5 m 高度后墻）水冷壁存在高溫腐蝕現(xiàn)象，該處水冷壁管為內(nèi)螺紋水冷壁管，設(shè)計規(guī)格為Φ51 mm×6.5 mm，材質(zhì)為SA-210A1。

為找出高溫腐蝕原因，避免同類型現(xiàn)象再次發(fā)生，特選取后墻側(cè)的1 根水冷壁管進(jìn)行綜合試驗腐蝕分析，該試樣管命名為“后1”。

2 試驗分析

2.1 宏觀檢查

對“后1”試樣管整體形貌觀察，發(fā)現(xiàn)背火面是土褐色的，而向火面則有積灰層和腐蝕層包裹，且顏色是深灰色的。向火面腐蝕產(chǎn)物脫落較少，可見分層產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物表層呈灰白色，形貌為樹皮、磨砂狀，如圖1所示。

圖1 向火面腐蝕產(chǎn)物

2.2 化學(xué)成分

用直讀光譜儀對“后1”試樣管進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 試樣管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

分析結(jié)果表明：試樣管化學(xué)成分符合SA-210A1材質(zhì)要求。

2.3 力學(xué)性能

對“后1”試樣管向火面、背火面，各加工兩根試樣進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試樣管拉伸試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明：向2、背2試樣的屈服強度不合格，伸長率則均不合格。

2.4 尺寸測量

對“后1”試樣管腐蝕嚴(yán)重處進(jìn)行外徑測量，測量值為49.7 mm、50.7 mm。對向火面減薄嚴(yán)重處測厚，測量值為4.9 mm、5.0 mm；背火面厚度測量值為6.2 mm、6.2 mm。該水冷壁尺寸規(guī)格為Φ51 mm×6.5 mm，測量結(jié)果表明：“后1”試樣管外徑無明顯脹粗，但向火面厚度減薄嚴(yán)重。

2.5 腐蝕產(chǎn)物分析

對環(huán)狀樣的基體與腐蝕產(chǎn)物各分層區(qū)域分別進(jìn)行EDS能譜分析，分析結(jié)果見圖2。

圖2 基體與腐蝕產(chǎn)物各分層能譜分析

根據(jù)以上能譜分析圖可知，各層的元素種類為：（1）基體，無O、S 元素；（2）貼近層，主要為S、O 元素；（3）中間層，主要為S、O、Si、Al 等元素；（4）表面層，主要為O、Si、Al、Mg、K、S、Na、Ca等多種元素。

2.6 腐蝕層厚度

向火面外壁腐蝕產(chǎn)物較厚，總腐蝕層深度約1.6 mm，腐蝕產(chǎn)物與基體剝離碎裂嚴(yán)重，內(nèi)壁氧化層深度約為0.16 mm，見圖3。

圖3 腐蝕層深度

2.7 金相組織分析

對“后1”試樣管的向火面、背火面組織進(jìn)行金相觀察評定，見圖4。

圖4 試樣管金相組織

在圖4中，可以看出向火面、背火面中的珠光體形態(tài)明顯，珠光體中的碳化物部分開始分散，球化級別均為1.5級。

3 討論

3.1 尺寸方面

經(jīng)測量，向火面腐蝕嚴(yán)重處的腐蝕產(chǎn)物厚度達(dá)到了1.6 mm，可以看出，腐蝕程度已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重了。管道的外徑?jīng)]有顯示出任何明顯的膨脹。在測量嚴(yán)重減薄區(qū)域的壁厚時，發(fā)現(xiàn)最薄處的剩余厚度僅為4.9 mm，與6.5 mm的設(shè)計規(guī)范相比，減薄量達(dá)到25%，這將顯著降低水冷壁的承壓能力。

3.2 材質(zhì)方面

經(jīng)過實驗分析，水冷壁管的材質(zhì)符合SA-210A1的化學(xué)成分要求。部分零件的屈服強度在機械拉伸試驗中不合格，伸長率則全部都不合格。金相組織的球化程度為1.5，屬于部分傾向性球化。分析表明：材料強度不足的原因，可能與其服役過程中受組織部分傾向性球化導(dǎo)致強度輕微退化有關(guān)，也可能是管道存在固有缺陷所致，比如加工制造工藝不過關(guān)導(dǎo)致管道強度不夠。

3.3 腐蝕方面

水冷壁管內(nèi)的溫度約為310～420 ℃。在鍋爐運行過程中，由于煤中存在硫和其他有害雜質(zhì)，水冷壁在高溫下會發(fā)生高溫腐蝕。在燃煤鍋爐中，水冷壁的高溫腐蝕可分為3 種類型：硫酸鹽型、氯化物型和硫化物型[4]。水冷壁的高溫腐蝕通常是這3 種腐蝕共同作用的結(jié)果。腐蝕產(chǎn)物分層能譜分析表明：腐蝕產(chǎn)物主要包括O、S、Si、Al、Mg、K、Na、Ca等多種元素。這些元素在各層中的分布特征表明，該電站鍋爐水冷壁的高溫腐蝕主要為硫酸鹽型高溫腐蝕[5]。

3.4 硫酸鹽型腐蝕機理

硫酸鹽型高溫腐蝕通常以硫酸鹽、焦硫酸鹽和三硫酸鐵鈉等復(fù)合硫酸鹽的形式存在。在爐內(nèi)高溫下，燃煤中NaCl的Na離子容易揮發(fā)，一部分被熔融的硅酸鹽捕獲，還會與煙氣中的SO3發(fā)生反應(yīng)，形成Na2SO4；另一部分是容易揮發(fā)的硅酸鹽，它會與揮發(fā)出的Na+發(fā)生單次置換反應(yīng)，釋放出的鉀會與SO3化合生成K2SO4。堿金屬硫酸鹽有黏性和低熔點的特征，當(dāng)堿金屬硫酸鹽沉積到管壁上時，會再吸收SO3、SO2，并反應(yīng)生成焦硫酸鹽Na2S2O7等物質(zhì)[6]。黏附在管子表面的焦硫酸鹽會與管壁表面的Fe2O3保護膜進(jìn)一步反應(yīng)生成復(fù)合硫酸鹽Na3Fe（SO4）3、K3Fe（SO4）3，進(jìn)而破壞管子表面致密的氧化鐵保護膜。生成的復(fù)合硫酸鹽又會作為反應(yīng)物與鐵基氧化膜表面下的鐵元素發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)，生成熔點更低的堿金屬硫酸鹽，導(dǎo)致管壁被不斷地腐蝕[7]。這種硫酸鹽型高溫腐蝕通常發(fā)生在溫度較高的換熱表面，一些燃煤鍋爐的水冷壁也會發(fā)生嚴(yán)重的硫酸鹽型腐蝕，尤其是當(dāng)煤中堿金屬和氯元素含量較高時，這種高溫腐蝕更容易被誘發(fā)。

3.5 綜合分析

通過實驗分析，可以得出電站鍋爐水冷壁的腐蝕主要是硫酸鹽型高溫腐蝕。煤燃燒中S、K 和Na 等物質(zhì)的存在是高溫腐蝕的內(nèi)在根源。此外，一次風(fēng)和二次風(fēng)分布不合理、爐膛氣動場差、主燃燒區(qū)還原氣氛增加等因素也會顯著促進(jìn)水冷壁的高溫腐蝕現(xiàn)象[8]。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)可知，嚴(yán)重降低了水冷壁的厚度，導(dǎo)致管道樣品的整體承壓能力下降，容易產(chǎn)生爆管。

4 結(jié)語

（1）該電站鍋爐水冷壁腐蝕為硫酸鹽型高溫腐蝕。（2）高溫腐蝕直接導(dǎo)致水冷壁向火面的厚度持續(xù)減薄，假如繼續(xù)服役，存在爆管的風(fēng)險，建議對其及時更換。（3）研究表明：煤中堿金屬及含硫量的增加會導(dǎo)致燃煤鍋爐發(fā)生硫酸鹽型腐蝕，因此建議對鍋爐煤質(zhì)成分進(jìn)行檢查，實際煤種的成分含量是否與設(shè)計煤種偏差較大。