循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的腐蝕失效分析

薛東劍周振華成 波張國(guó)祥

（1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315048）

（2.余姚市市場(chǎng)監(jiān)督管理局 余姚 315400）

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的腐蝕失效分析

薛東劍1周振華1成 波2張國(guó)祥1

（1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315048）

（2.余姚市市場(chǎng)監(jiān)督管理局 余姚 315400）

針對(duì)某高壓循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管底部彎管處爆管原因進(jìn)行失效分析，通過對(duì)爆管管段進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、腐蝕產(chǎn)物分析、金相分析以及運(yùn)行期間水質(zhì)化驗(yàn)記錄調(diào)查，表明鍋爐水質(zhì)pH偏高時(shí)在密相區(qū)彎管處向火側(cè)內(nèi)壁發(fā)生堿濃縮引起堿腐蝕，彎管處存在的殘余應(yīng)力在強(qiáng)堿性環(huán)境下引起堿應(yīng)力腐蝕，兩者共同作用導(dǎo)致了本次爆管的發(fā)生。加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)控和消應(yīng)力處理可有效防止堿腐蝕和堿應(yīng)力腐蝕。

循環(huán)流化床鍋爐 水冷壁 堿腐蝕 堿應(yīng)力腐蝕 失效分析

1 概況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，水冷壁事故占到循環(huán)流化床鍋爐事故的80%。針對(duì)循環(huán)流化床水冷壁管失效問題，國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究人員做了大量的工作，并且取得了一定的成果，但是鍋爐水冷壁管的爆漏事故仍時(shí)有發(fā)生。循環(huán)流化床水冷壁管的失效形式多種多樣，常見的有磨損、短時(shí)過熱、氧腐蝕、堿腐蝕等，而堿腐蝕和堿應(yīng)力腐蝕共同作用導(dǎo)致的爆管停爐事故還比較罕見［1-4］。

近期，寧波某熱電有限公司YG-220/9.8-M3型高壓循環(huán)流化床鍋爐發(fā)生水冷壁管爆管事故，事故發(fā)生時(shí)爐膛負(fù)壓從-88Pa突升至2000Pa，一次風(fēng)量從8.3 萬m3/h降至2.5萬m3/h，二次風(fēng)量基本不變，引風(fēng)機(jī)電流從35A降至22A，水位從0mm突降至-200mm，MF動(dòng)作，主汽壓力迅速下降，就地檢查給煤機(jī)發(fā)現(xiàn)給煤機(jī)不是煙氣反竄而是冒蒸汽，同時(shí)發(fā)現(xiàn)本體也在冒蒸汽1#爐床溫突然又驟降，從700℃一直跌到100℃左右，水位也迅速下降。該鍋爐水冷壁管的材質(zhì)為20G鋼，規(guī)格為φ60mm×5.0mm，為找到爆管原因，提出對(duì)應(yīng)的解決方案，以避免同類事故的再次發(fā)生，有必要對(duì)其進(jìn)行失效分析。

2 失效分析

2.1 失效管宏觀形貌觀察與分析

爆管水冷壁位于鍋爐衛(wèi)燃帶上方彎管（圖1右起第4～7根）起彎處的向火側(cè)內(nèi)表面，觀察從水冷壁爆管管段割下的樣管，可看到管段內(nèi)側(cè)存在很多明顯的腐蝕凹坑，整片分布，深淺不一，最深可達(dá)2.5mm，表面有少許紅褐色的腐蝕產(chǎn)物，靠近金屬基體的部位呈現(xiàn)黑色，端口尖銳呈撕裂狀并具有長(zhǎng)度約5cm裂紋存在（圖2、圖3）。背火側(cè)則未見明顯異常。

圖1 水冷壁管修復(fù)后概貌

圖2 水冷壁管爆管圖

圖3 水冷壁管向火側(cè)內(nèi)壁圖

圖4 水冷壁管背火側(cè)內(nèi)壁圖

2.2 水冷壁管金相分析

從水冷壁爆管管段割下的樣管，對(duì)其向火側(cè)和背火側(cè)分別進(jìn)行金相顯微組織分析，金相檢驗(yàn)采用機(jī)械拋光，浸蝕液為4%硝酸酒精溶液，放大倍數(shù)200倍。圖5為水冷壁管向火側(cè)材料的顯微組織圖，組織形態(tài)為鐵素體加珠光體，珠光體球化級(jí)別3.5級(jí)，趨向于中度球化，顯微晶粒度為8級(jí)。圖6為水冷壁管背火側(cè)的顯微組織圖，組織形態(tài)為鐵素體加珠光體，珠光體球化級(jí)別2.5級(jí)，顯微晶粒度為8級(jí)。說明水冷壁管向火側(cè)表面存在局部過熱情況。

圖5 水冷壁管向火側(cè)內(nèi)壁圖（x200）

圖6 水冷壁管背火側(cè)內(nèi)壁圖（x200）

2.3 水冷壁管材質(zhì)分析

從水冷壁管爆管時(shí)割下的樣管制取分析化學(xué)成分試件，對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。可見，水冷壁管化學(xué)成分均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》的技術(shù)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

2.4 力學(xué)性能分析

從水冷壁爆管管段取樣制成力學(xué)性能分析試件，試驗(yàn)結(jié)果見表2。由試驗(yàn)結(jié)果可知，試樣力學(xué)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。沖擊實(shí)驗(yàn)試樣尺寸為55mm×10mm×2.5mm。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.5 垢樣分析

采用刮垢法測(cè)定爆破口周圍沉積物量平均值為578g/m2。對(duì)腐蝕產(chǎn)物用X射線衍射儀分析，腐蝕產(chǎn)物主要為四氧化三鐵（Fe3O4），并有少量的三氧化二鐵（Fe2O3），與外觀觀察時(shí)表面有少許紅褐色的腐蝕產(chǎn)物（Fe2O3），靠近金屬基體的部位呈現(xiàn)黑色（Fe3O4）。

2.6 爐水水質(zhì)調(diào)查分析

GB/T 12145—2008《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定給水pH應(yīng)在9.2～9.6之間，查閱該鍋爐最近一個(gè)月爐水水質(zhì)監(jiān)測(cè)記錄中，給水pH值超過上限值9.6的天數(shù)為19天。

圖7 鍋爐水質(zhì)監(jiān)測(cè)記錄表

3 失效原因分析判斷

從水冷壁管爆破部位的宏觀檢查、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能分析及垢樣檢測(cè)結(jié)果判斷，本次水冷壁管失效是堿腐蝕與堿應(yīng)力腐蝕共同作用的結(jié)果。1）水冷壁向火側(cè)內(nèi)壁分布有很多腐蝕坑，最深達(dá)2.5mm，具有典型的腐蝕失效特點(diǎn)。2）腐蝕發(fā)生在向火側(cè)內(nèi)壁，腐蝕坑為鑿槽型，靠近金屬基體的部位呈現(xiàn)黑色，腐蝕產(chǎn)物為層狀，主要是Fe3O4，這些腐蝕特征和水質(zhì)特征符合堿腐蝕的特征［1，7］。3）金相檢驗(yàn)表明腐蝕坑下金屬的金相組織無脫碳現(xiàn)象， 排除氫脆的可能性。爆管處附近組織趨向于珠光體球化，說明運(yùn)行過程中在水冷壁管彎頭處存在局部過熱現(xiàn)象。4）與單純的堿腐蝕無腐蝕裂紋相比，此次事故爆管內(nèi)壁有多處裂紋存在，結(jié)合爆破發(fā)生在衛(wèi)燃帶上方彎管處存在殘余應(yīng)力，符合堿應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)［1，6-7］。5）對(duì)水冷壁管向火側(cè)腐蝕坑附近基體化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中有關(guān)20G鋼材質(zhì)的技術(shù)要求，說明管材基體材質(zhì)無產(chǎn)生腐蝕坑的內(nèi)部因素。

4 結(jié)論

1）高堿性水質(zhì)環(huán)境下出現(xiàn)的局部堿濃縮是堿腐蝕和堿應(yīng)力腐蝕發(fā)生的主要原因。

2）水冷壁管發(fā)生此類腐蝕主要在向火側(cè)，背火側(cè)則無明顯異常。本次水冷壁管泄漏區(qū)域發(fā)生在衛(wèi)燃帶上方彎管處，爐水雜質(zhì)易沉積，也處于循環(huán)流化床的密相區(qū)，熱負(fù)荷較高，導(dǎo)致向火側(cè)爐水中的堿濃度較高，形成堿腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4。

3）彎管處存在的殘余應(yīng)力在強(qiáng)堿性環(huán)境下可成為堿應(yīng)力腐蝕的條件。

4）造成本次循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管衛(wèi)燃帶上方彎管爆管的原因是，局部發(fā)生堿腐蝕與堿應(yīng)力腐蝕，它們共同作用造成水冷壁管腐蝕失效。

5 建議

1）鍋爐運(yùn)行中加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)控，確保鍋爐水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）鍋爐制造過程中對(duì)爐膛內(nèi)彎管進(jìn)行消應(yīng)力熱處理可降低發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕的可能性。

3）鍋爐檢驗(yàn)時(shí)，檢驗(yàn)人員在實(shí)施檢驗(yàn)前應(yīng)充分了解鍋爐的結(jié)構(gòu)以及鍋爐運(yùn)行特點(diǎn)，如水冷壁管彎管（既是流體流動(dòng)方向驟變處，也常常是焊縫附近）、高熱負(fù)荷部位等處應(yīng)是檢驗(yàn)重點(diǎn)，其次應(yīng)仔細(xì)查看鍋爐運(yùn)行、水質(zhì)監(jiān)測(cè)記錄，在按新頒布的《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》對(duì)鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，水冷壁管的割管檢查位置可選在衛(wèi)燃帶上方彎管處以及熱負(fù)荷較高部位［8］，在分析垢樣成分時(shí)可結(jié)合鍋爐結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀況得出結(jié)垢和腐蝕產(chǎn)生的原因，阻止腐蝕加劇以提高鍋爐的運(yùn)行安全性。

［1］ 徐洪.高壓鍋爐水冷壁管堿腐蝕診斷與機(jī)理研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（2）：183-187.

［2］ 孫連啟.循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的磨損形式和壽命評(píng)估 ［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2015，31（8）：37-41.

［3］ 許宏飛，薛躍軍，鄭自芹，等.發(fā)電廠水冷壁管腐蝕失效分析［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2013，36（2）：119-122.

［4］ 盧黎明，林凱明，黃暉等.鍋爐水冷壁管腐蝕泄露事故分析 ［J］.石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2014，30（4）：43-44.

［5］ 徐偉，李武榮.循環(huán)流化床鍋爐水冷壁泄露分析［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2015（S1）：72-80.

［6］ 汪逸安.碳四裝置氣相平衡線開裂分析［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2015（S1）：134-136.

［7］ GB/T 30579—2014 承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別［S］.

［8］ TSG G7002—2015 鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則［S］.

Corrosion Failure Analysis on Water-cooled Wall Tubes for Circulating Fluidized Bed Boiler

Xue Dongjian1Zhou Zhenhua1Cheng Bo2Zhang Guoxiang1
（1.Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute Ningbo 315048
（2.Yuyao Bureau of Market Supervision Administration Yuyao 315400）

Failure analysis was carried out to find out the causes of burst on water-cooled wall tubes elbow for circulating fluidized bed （CFB） boiler.Through macro-observation， chemical composition， macro structure， grain size and water quality investigation.The high pH value of boiler water at the fire-facing side of weld dense phase zone will lead to alkali concentration that will cause caustic corrosion.The residual stress in elbow in the strong alkaline environment that will cause caustic stress corrosion.Research results show that the tube failure is caused by both caustic corrosion and caustic stress corrosion.Strengthen water quality monitoring and elimination of stress treatment can effectively prevent the alkali corrosion and alkali stress corrosion.

Circulating fluidized bed boiler Water-cooled wall tubes Caustic corrosion Caustic stress corrosion Failure analysis

X933.2

B

1673-257X（2016）09-0056-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.09.014

薛東劍（1984～），男，本科，工程師，從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)工作。

（2016-05-04）