鍋爐水冷壁爆管事故原因分析

張共清

摘 要：水冷壁爆管是鍋爐常見的故障之一，會嚴重影響到電廠的運行安全及效益。本文結合某鍋爐水冷壁爆管事故，對其事故的原因進行了分析，并提出了相應處理建議，旨在為類似鍋爐水冷壁爆管事故處理提供參考。

關鍵詞：鍋爐；水冷壁事故；建議

中圖分類號：TK229 文獻標志碼：A

在工業鍋爐運行過程中，經常會遇到各種各樣的問題，其中水冷壁爆管是最危險也是最經常發生的一種，嚴重地影響了鍋爐機組的安全穩定運行。因此， 我們對于鍋爐所出現的事故給予詳細的分析，探索出引發事故的最終原因，這對鍋爐運行安全性和有效性的提高具有重要的意義。

1 鍋爐水冷壁爆管事故概述

事故設備為某公司的1臺生產用鍋爐，2012年10 月安裝完畢并投運，型號為SZL4-2.5-AII。

鍋爐水冷壁管規格為φ51mm×3mm，材質為20G。根據生產要求，鍋爐運行壓力為1.0MPa。由于公司鍋爐管理安全意識淡薄，加之該地區原水水質硬度偏高，從2016年4月開始，多根水冷壁管均發生了不同程度的爆管，從而失去其應有的效力，導致公司出現計劃以外的停產。水冷壁管最底端標高2.85m，最高標高34m，爆管位置多發生在標高為21m ～4m 處。

1 觀察與試驗結果

1.1 宏觀形貌檢查

水冷壁管出現爆管的位置處于直管一段，且面向于爐內火焰面，爆口從表面形狀來看，呈現為鑿槽型，從爆口看向管的內壁，腐蝕的痕跡清晰可見，爆口附近管壁其直徑沒有表現出較為明顯的漲粗情況。

由此可判斷出，水冷壁管在出現裂開時，并沒有蠕脹和塑性變形發生。爆口位置其邊緣的厚度由向火面的內壁開始明顯變薄，最薄處僅為1.9mm，而該水冷壁管正常厚度應為5mm，水冷壁管背向于火焰面的地方沒有明顯的腐蝕情況，也未見管壁變薄。爆口斷開暴露出的表面表現為粗糙，邊緣未見撕裂型剪切唇。爆口周圍管壁變薄位置具有腐蝕坑的特征，其不是均勻性的變薄，而屬于潰瘍性腐蝕。

該爆管周圍的水冷壁管也存在同樣的潰瘍性腐蝕情況。腐蝕產物的顏色為暗黑色，水冷壁管上出現腐蝕坑的位置管壁明顯較薄，與基體金屬相對比，腐蝕產物的體積變大。

1.2 化學成分分析

在該發生爆管的水冷壁管上進行取樣，取樣位置為與爆口有較遠距離的地方，對取得的樣品進行化學分析，分析結果見表1。從結果中可以看出，該水冷壁管材料符合GB5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準中20G化學成分要求。

1.3 顯微組織分析

從爆口邊緣內部表面存在腐蝕坑的位置上切取一塊材料作為金相試樣，并對試樣的截面進行粗磨和細磨，之后采用濃度為4%的硝酸酒精將其腐蝕，使用AxioImagerA2m型蔡司顯微鏡和FEIQuanta450FEG型掃描電鏡進行顯微組織觀察分析，元素成分的分析選用OXFORDAztecX-MAX50型能譜分析儀。

1.4 垢層分析

通過掃描電子顯微鏡（SEM）對水冷壁管內壁的垢層進行分析，可見有積垢層附著于管的內壁上，且從垢層表面來看，其凹凸不平，薄厚程度為厚，和管壁基體存在明顯的分界面，且腐蝕產物形貌展示為“泥紋狀”。通過能譜儀（EDS）對其進行分析可知，垢層中含有Ca、Fe、Zn、O等元素，并且含有少量的元素Zn、Ca、Mn、Si等。

2 失效原因分析

通常情況下，如果是因為水冷壁管溫度太高而導致的爆口，該爆口會表現為撕裂狀，有剪切唇，并會出現明顯的塑性變形。而從此次爆口的形貌來看，并不符合該形貌，而且腐蝕坑下金屬機體顯微組織中層片狀珠光體形態明顯，不存在珠光體球化現象，材料組織也不存在劣化現象，因此可排除由于溫度過高而導致爆口的可能性。

調取水冷壁管在失去效能前的鍋水，通過檢測pH值發現，絕大多數的鍋水pH值均在10以上，當水冷壁管內的介質其壓力為10.2MPa～10.5MPa時，鍋水pH值控制標準為9.0～10.0，最低運行值也要超過9.5，所以并不是低pH值運行，便可排除是出現了酸腐蝕，而且水冷壁管的內壁上沒有出現脫碳，所以不是酸腐蝕而導致的爆口。

一般來說，水冷壁管內部的表面有一層致密的Fe3O4保護膜來保護基體不會受到腐蝕，如果鍋水的pH值太高，或者是過低，都會破壞保護膜。當水冷壁管內介質的壓力值為10.2MPa～10.5MPa時，鍋水PO43-濃度的控制目標為2mg/L～6mg/L，而從鍋水的監測數據來看，鍋水PO43-濃度數據普遍處于偏高狀態。此次爆管發生在21m～24m標高范圍內。屬于鍋爐的汽水分離段，在這一過程當中，鍋水中的磷酸鹽等成分會被濃縮，面向火焰的一面更加嚴重，所以鍋水中磷酸鹽會大量析出，并在水冷壁管的內壁上附著，從而形成積垢層。積垢層就為垢下腐蝕的形成提供了前提條件，磷酸鹽積垢層的導熱性能非常差，而垢下的鍋水會快速蒸發，所以垢下具有較高pH值鍋水中的堿液會被濃縮，尤其是面向火焰一面的水冷壁管中，因為其具有的熱負荷高，堿濃縮就更加嚴重，所以導致了堿性腐蝕。

臨界濃度的濃縮堿可對金屬基體造成直接的侵襲，而且熱負荷太高在無形中又增加了腐蝕的進一步發展。在垢下pH值高的情況下，基體表面具有的Fe3O4保護膜會受到破壞，基體因此被暴露出來，并進一步腐蝕，在腐蝕的過程中，就會形成一個個的腐蝕坑，這也是水冷壁管厚度不斷變薄的原因。而腐蝕生成的H2會進入水汽，在循環的過程中會被帶走。腐蝕后，就會在水冷壁管中面向火焰一面的內部形成潰瘍型的腐蝕凹坑。

因為沒有對鍋水進行很好的控制，所以水冷壁管的內壁上聚集了許多磷酸鹽等鹽分，并累積為垢，造成水冷壁管中面向火焰的一面堿液濃度濃縮，導致爆管的位置其垢下產生堿性腐蝕。且堿性腐蝕表現為兩個方面：一方面，在內壁上有以Fe的氧化物為主的積垢層形成，面向火焰一面的水冷壁管其內表面存在大量的潰瘍性腐蝕坑，是水冷壁管的金屬壁逐漸變薄；另一方面，金屬基體中的沿晶界形成腐蝕溝槽，并且腐蝕溝槽聚集相連，在水冷壁管中介質的壓力作用下，沿著晶從內壁向外壁逐漸擴展，最終導致爆管。

3 建議

通過對水冷壁管發生爆管的原因進行分析，主要提出以下四點建議：第一，在對水冷壁管進行檢修的過程中，重點對其管壁的厚度進行測量，一旦發現有異常變薄的情況，必須及時進行更換；第二，在檢修過程中，應該采用化學清洗的方法非水垢實施有針對性的清洗處理；第三，在鍋爐的運行過程中，要著重對鍋水的水質進行檢測和控制，檢測項目包括pH值、水中雜志以及游離堿等；第四，要定時開展對水冷壁管的取樣工作，通過樣品分析水冷壁管的內壁是否有腐蝕、積垢等情況。

結語

綜上所述，水冷壁管是鍋爐的主要承壓部件和蒸發受熱面，由于其惡劣的運行環境條件，常常會導致爆管事故的發生。因此，必須要加強對鍋爐水冷壁管的質量檢測，避免發生爆管事故，若發生水冷壁爆管事故，必須在第一時間給予有效的解決方法，最大程度地減少事故發生所造成的損失，為鍋爐運行的安全性和穩定性提供保障。

參考文獻

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