鍋爐水墻管高溫垢下腐蝕穿孔失效分析

葉偉文 劉課秀 盧忠銘 王 戀 馬 括

（廣州特種承壓設備檢測研究院 廣州 510663）

工業鍋爐水垢的形成，嚴重影響著鍋爐的安全運行，極易發生危險[1]。某企業在鍋爐內部檢驗時發現鍋筒及水墻管水側水垢厚約4～5mm，清除水垢后發現鍋爐右墻(煙氣通道側)水墻管有3根穿孔泄漏。鍋爐結垢及腐蝕情況嚴重，部分水墻管已出現穿孔泄漏，存在嚴重的安全隱患。本文對鍋爐鍋筒及水墻管內壁結垢及腐蝕穿孔進行了原因分析和措施探討。

1 基本情況

水墻管出現穿孔泄漏的鍋爐型號為SZL4-1.25-X，額定蒸發量為4t/h，結構形式為雙鍋筒縱置式鏈條爐，使用燃料為生物質，額定蒸汽壓力為1.25 MPa，額定蒸汽溫度為193℃，鍋筒材料為Q245R，鍋筒厚度規格為14mm。發生穿孔泄漏的水墻管為20鋼，規格為φ51×3mm。

現場勘查發現，3根穿孔泄漏的水墻管均位于鍋爐煙氣通道側（右側），包括泄漏管在內的部分水墻管已被拆卸，見圖1。鍋爐上鍋筒內部經化學清洗后仍可見少量水垢殘留，見圖2。鍋爐水墻管表面均被氧化層覆蓋，其中出現泄漏的水墻管的最大穿透孔徑約20mm，泄漏孔距離上部折彎位置約500～700mm，泄漏孔均在水墻管的向火面一側，見圖3。

圖1 水墻管泄漏鍋爐

圖2 上鍋筒內部水垢

圖3 穿孔水墻管

將水墻管A切斷后，可見管子內部內壁基本被水垢和腐蝕產物覆蓋，其中內壁表面水垢成黃白色，與管壁接觸的內層物質呈深黑色，管子局部從內壁向外壁腐蝕穿孔，見圖4。管子局部去除管壁金屬層后，可見一層較厚的腐蝕產物和水垢，厚度約4mm，見圖5。

圖4 水墻管A橫截面

圖5 水墻管A切除金屬層

2 試驗與分析

2.1 壁厚測定

對泄漏水墻管未穿孔部位進行測厚，結果顯示水墻壁剩余壁厚約為2.6～2.8mm。對燃燒室左右兩側的剩余部分未拆除水管向火面進行抽測，結果顯示其厚度約為2.7～2.8mm。可見燃燒室的水墻管均出現不同程度的腐蝕減薄。

2.2 金相分析

對管A進行金相分析，結果顯示管A向火面的金相組織為鐵素體+珠光體，碳化物呈顆粒狀，根據DL/T 674—1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》，珠光體球化級別1.5～2級[2]，見圖6。管A背火面的金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體層片狀結構清晰，組織未見異常，見圖7。

圖6 管A向火面顯微組織

圖7 管A背火面顯微組織

2.3 力學性能試驗

對水墻管A的向火面和背火面制樣按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第一部分 室溫試驗方法》進行拉伸試驗[3]，試驗結果見表1。結果顯示水墻管的向火面材料的下屈服強度和抗拉強度均低于標準要求值，背火面材料下屈服強度和抗拉強度滿足標準（20/GB 3087—2008）要求[4]。

表1 拉伸試驗結果

2.4 材料成分分析

根據GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法》對水墻管A進行材質分析，管子材質基本符合標準（20/GB/T 699—1999）要求[5-6]，水墻管向火面外壁碳含量略低，可見水墻管的向火面外壁出現了輕微脫碳現象，見表2。

表2 材料成分分析結果（質量分數）/%

2.5 鍋爐水質分析

核查該鍋爐的過去一年四個季度的水質檢測報告，發現該鍋爐給水和鍋水長期處于不合格狀態，其中給水硬度指標實測最大值大于GB/T 1576—2008《工業鍋爐水質》標準上限值100多倍[7]，鍋水磷酸根和亞硫酸根均長期不合格。鍋爐給水和鍋水存在的給水濁度、硬度超標等問題均可致鍋筒內部產生水垢，導致鍋筒的導熱性能差。鍋爐給水如未經軟化處理， 水中陽離子主要有Ca2+、Mg2+、Na+等，陰離子主要有HCO3-，Cl-，SO42-等。例如給水硬度過高時，這些“硬水”在鍋爐內加熱、受壓和濃縮的作用下，水中一些含量較高的離子首先達到某些鹽類的溶度積和過飽和狀態而生成沉淀，形成水垢。

表3 水質檢測結果

2.6 管內水垢及腐蝕產物分析

對水墻管內壁靠近內壁金屬的黑色物質進行掃描電鏡能譜分析和XRD物相分析，結果顯示該物質主要為Fe3O4和CaSO4，可判斷內壁黑色物質為水垢和氧化腐蝕物的混合物體，見圖8～圖9。對管內外層黃白色水垢進行掃描電鏡能譜分析和XRD物相分析，物相分析結果顯示其主要物質為CaSO4等鹽類，見圖10～圖11。

圖8 管內壁黑色腐蝕產物能譜圖

圖9 管內壁黑色腐蝕產物XRD分析結果

圖10 管內壁白色水垢能譜分析結果

圖11 管內壁白色水垢XRD分析結果

3 原因分析

從鍋爐水質檢測結果可知，該爐給水和鍋水長期處于不合格狀態，其中給水硬度指標實測最大值已達GB/T 1576—2008 《工業鍋爐水質》標準上限值100多倍，導致鍋爐內部產生大量水垢，其中水墻管內水垢厚度達4mm，水垢主要組成物質為CaSO4等鹽類。水墻管內覆蓋大量水垢，水垢導熱性能差，導致水垢下部的金屬壁溫升高，長期處于高溫狀態。水墻管向火面金屬出現高溫過熱球化和脫碳，強度下降。當鍋爐受熱面上存在水垢時，因傳熱不良而使水垢下金屬管壁的溫度升高，并使水垢下的爐水不斷蒸發濃縮，逐漸產生水垢下的腐蝕[8]。水墻管內水垢等沉積物下面的鍋水急劇蒸發濃縮，導致各種雜質濃度升高造成管內壁的垢下金屬發生高溫垢下腐蝕，主要腐蝕產物為Fe3O4。

綜上分析可知，由于鍋爐給水和鍋水硬度等指標不符合GB/T 1576—2008 《工業鍋爐水質》標準要求，導致水墻管內壁覆蓋導熱性能差的水垢，管壁溫度異常升高，材料組織過熱球化和脫碳，材料強度下降，管內壁垢下金屬發生了高溫垢下腐蝕，最終導致水墻管向火面（高溫側）發生腐蝕穿孔泄漏。

4 對策探討

1）可用內窺鏡觀察確認每根受熱面管內部水垢清除效果，并按TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗規則》第2.6.3.6款要求，鍋爐內部結垢采用化學清洗時，應當按照TSG G5003—2008《鍋爐化學清洗規則》進行，確保所有水墻管內側水垢和腐蝕產物得到有效清除[9-10]。

2）對水墻管、對流管和爐門彎管進行水垢徹底清洗后，再對每條管子進行剩余壁厚測定，按TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗規則》第2.6.3.4款要求，當受壓部件最小實測壁厚小于最小需要壁厚時，應當進行修復（更換），確保所有管子壁厚滿足設計要求。

3）鍋爐受熱面管出現高溫過熱球化和脫碳，強度下降，材料拉伸試驗強度低于標準要求，建議對鍋爐燃燒室內受熱水管進行更換。

4）鍋爐維修完畢后，應對鍋爐本體進行鈍化、清洗及液壓試驗（特別注意，酸洗后的鍋爐應充分中和、置換），使用合格的水處理設備和藥劑，切實加強鍋爐的水質監測和管理，確保鍋爐水質符合國家標準要求。

[1]張海峰. 淺談工業鍋爐水垢的危害及預防措施[J].世界有色金屬，2018（21）：267-268.

[2]DL/T 674—1999 火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準[S].

[3]GB/T 228.1—2010 金屬材料 拉伸試驗 第一部分室溫試驗方法[S].

[4]GB 3087—2008 低中壓鍋爐用無縫鋼管[S].

[5]GB/T 4336—2016 碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法[S].

[6]GB/T 699—1999 優質碳素結構鋼[S].

[7]GB/T 1576—2008 工業鍋爐水質[S].

[8]栗帥，王登惠，李趙．工業鍋爐水側腐蝕成因及應對措施[J]．石油和化工設備，2016，19（07）：78-80.

[9]TSG G7002—2015 鍋爐定期檢驗規則[S].

[10]TSG G5003—2008 鍋爐化學清洗規則[S].