一臺(tái)電站鍋爐水冷壁管壁厚異常減薄的原因分析

熊文俊

摘? 要：電站鍋爐定期檢驗(yàn)是保障鍋爐安全運(yùn)行的重要手段，對(duì)于定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，分析其成因，對(duì)于預(yù)防鍋爐事故具有重要意義。該文作者通過對(duì)某臺(tái)電站鍋爐定期檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)的水冷壁管減薄的問題，通過對(duì)減薄部位割管金屬進(jìn)行宏觀檢查、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡檢驗(yàn)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析等，結(jié)果表明，造成該鍋爐壁厚減薄的原因?yàn)榱蚧锖蚐原子高溫?zé)煔飧g。通過該次分析論證，對(duì)于后期鍋爐的安全運(yùn)行提出了指導(dǎo)意見。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐;水冷壁;減薄

中圖分類號(hào)：TG174? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

某 火 力 發(fā) 電 廠 3 號(hào) 鍋 爐 型 號(hào) 為 HG1025-18.2/540-YM6，屬于亞臨界控制循環(huán)汽包爐，為單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)和固態(tài)排渣的 π 型煙煤爐。爐膛燃燒器分為五層，正四角布置，采用逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的切園燃燒方式。水冷壁由前墻、后墻、左墻、右墻、延伸側(cè)包墻和底包墻水冷壁組成，其中爐膛前墻、后墻和側(cè)墻水冷壁均為內(nèi)螺紋鰭片管，材料為 20 G，規(guī)格Φ44.5×5.4 mm，管節(jié)距 63.5 mm，前墻和后墻水冷壁管均為 245 根，側(cè)墻 380 根。

該鍋爐投產(chǎn)于 1998 年 12 月，累計(jì)運(yùn)行 11.5萬 h 后電廠利用檢修時(shí)機(jī)在爐膛后墻標(biāo)高約 30 m處、56 號(hào)吹灰器的下側(cè)切取 2 根水冷壁管（鍋爐右側(cè)數(shù)第 67 和 68 根）作為取樣管進(jìn)行檢驗(yàn)，檢查發(fā)現(xiàn) 2 根取樣管向火側(cè)均存在壁厚異常減薄現(xiàn)象。

1 宏觀檢查

1.1 管外壁檢查

取樣管向火側(cè)外壁均為附著物所覆蓋，如圖1所示，附著物的最大厚度超過2 mm。附著物分為多層，其中外層附著物堅(jiān)硬、易碎，多處附著物外層出現(xiàn)不同程度的剝落。

1.2 管內(nèi)壁檢查

沿取樣管的鰭片位置縱向剖開管子，圖 2（a） 顯示管內(nèi)壁呈深黑色，無明顯水垢附著，內(nèi)壁螺紋線明顯，酸洗后管內(nèi)壁圖 2（b）， 表面光滑，未見明顯的腐蝕坑，內(nèi)螺紋線的凸起高度均勻。

1.3 壁厚檢測(cè)

2根取樣管的橫截面如圖 3所示，圖示取樣管的背火側(cè)壁厚均勻，向火側(cè)外壁輪廓的圓弧線不連續(xù)，壁厚不均勻，局部減薄非常明顯。實(shí)測(cè)鍋爐右側(cè)數(shù)第 67 根取樣管的背火側(cè)壁厚約 5.7 mm，壁厚正常;向火側(cè)以中間為界，左半側(cè)壁厚約為4.8 mm， 稍有減薄，右半側(cè)的最小壁厚為 3.0 mm，壁厚減薄約 45%，已超過火力發(fā)電廠金屬監(jiān)督規(guī)程的允許值。

2 金相組織檢查

鍋爐右側(cè)數(shù)第 67 根取樣管的向火側(cè)金相組織如圖 4所示。1）管材組織中珠光體形態(tài)較為明顯，珠光體區(qū)域中的碳化物開始分散，存在傾向性球化，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定珠光體球化程度為 2 級(jí)，金相組織老化程度較輕。綜合考慮鍋爐的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和金相組織老化程度，推斷水冷壁管材在運(yùn)行中壁溫正常，無過熱現(xiàn)象。2）外壁存在較厚的附著物，圖 4顯示附著物分為多層，其中最內(nèi)層附著物較為致密且與基體金屬結(jié)合良好。3） 管內(nèi)壁有深度約 0.25 mm的脫碳層，脫碳層深度在相關(guān)規(guī)程的規(guī)定范圍以內(nèi)。4）管材晶粒細(xì)小，測(cè)定晶粒度在 10 級(jí)左右。

3 掃描電鏡（SEM）觀察和能譜分析（EDX）

對(duì)鍋爐右側(cè)數(shù)第 67 根取樣管的壁厚較薄處的橫截面進(jìn)行 SEM 觀察和元素成分 EDX 分析，圖5 為取樣管外壁及其附著物的橫截面，該處外壁附著物的最外層已剝落，剩余附著物厚約 1 mm，大致仍可分為2層，內(nèi)層致密，和基體結(jié)合良好，與光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果一致。附著物內(nèi)外兩層的元素能譜分析位置如圖 5所示，結(jié)果見表 1，分析結(jié)果顯示附著物外層元素種類較多，富含 O、Al、Si、Fe 和 S 等元素;附著物內(nèi)層元素種類少，幾乎全部為 Fe、O 和 S 元素，應(yīng)為水冷壁管基體金屬的氧化腐蝕產(chǎn)物。

水冷壁取樣管外壁附著物能譜分析元素成分含量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%） 見表1。

4 化學(xué)試驗(yàn)

先后將鍋爐右側(cè)數(shù)第 67 根取樣管的向火側(cè)和背火側(cè)管材分別浸入濃度為 10% 的稀鹽酸溶液中，浸有向火側(cè)管材的溶液中散發(fā)出明顯的臭雞蛋氣味即有 H2S 氣體逸出，浸有背火側(cè)管材的溶液未聞到異味，然后對(duì)兩溶液進(jìn)行過濾，再分別在過濾后的溶液中加入濃度為 10% 的硫酸銅溶液，原浸有向火側(cè)管材的溶液瞬間變得混濁不清，經(jīng)澄清后在燒杯底部可見黑色沉淀物，如圖 6所示，浸有背火側(cè)管材的溶液未見明顯的反應(yīng)。

上述化學(xué)試驗(yàn)中的反應(yīng)方程式如下：

FeS+2HCl→H2S↑+FeCl2

S2-+Cu2+→CuS↓

5 試驗(yàn)分析

5.1 水冷壁管壁溫正常

3號(hào)鍋爐運(yùn)行11.5萬h后，水冷壁管徑無脹粗，內(nèi)壁未見明顯水垢以及垢下腐蝕，向火側(cè)管材金相組織中珠光體球化程度低，組織老化不明顯，金相組織檢驗(yàn)結(jié)果顯示管材在運(yùn)行中壁溫正常。

5.2 外壁遭受腐蝕引起壁厚減薄

后墻水冷壁取樣管內(nèi)徑測(cè)量正常，向火側(cè)內(nèi)壁光滑，宏觀和微觀檢查均未見嚴(yán)重腐蝕坑，說明管內(nèi)壁不曾出現(xiàn)嚴(yán)重的垢下腐蝕現(xiàn)象;向火側(cè)外壁圓弧線不連續(xù)且為附著物所覆蓋，管外徑值隨著向火側(cè)壁厚減薄量的增加而減小，這些宏觀特征表明水冷壁管壁厚的減薄完全是由外壁遭受腐蝕引起的。

5.3 外壁附著物含有FeS

元素能譜成分分析結(jié)果顯示外壁附著物中含有較多的 O、S 和 Fe 元素，與基體直接接觸的內(nèi)層附著物幾乎全部為 O、S 和 Fe 元素。比對(duì)向火側(cè)和背火側(cè)管材與稀鹽酸、硫酸銅溶液的化學(xué)反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，可進(jìn)一步確定附著物中存在較多的 FeS，F(xiàn)eS 為燃煤鍋爐水冷壁發(fā)生硫化物型高溫?zé)煔飧g的主要產(chǎn)物，證明水冷壁管外壁金屬在運(yùn)行中遭受了典型的硫化物型高溫腐蝕，這種腐蝕包括氧化和硫化反應(yīng)，其中的硫化反應(yīng)是管壁腐蝕減薄的主導(dǎo)因素。硫化反應(yīng)是管材分別與煤粉中的黃鐵礦 （FeS2） 受熱分解出的游離狀態(tài)的 S 原子和爐膛壁面附近的高溫?zé)煔庵械?H2S 發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

6 結(jié)論

通過宏觀檢查、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡檢驗(yàn)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析等手段，對(duì)3號(hào)鍋爐后墻水冷壁管減薄部位進(jìn)行分析，可以得知3號(hào)鍋爐后墻水冷壁管壁厚異常減薄的主要原因是由硫化物和S原子高溫?zé)煔飧g。在今后此臺(tái)鍋爐運(yùn)行過程中，應(yīng)注意隨時(shí)監(jiān)測(cè)燃料中硫元素的含量，一旦超標(biāo)，應(yīng)進(jìn)行脫硫除硫處理。

參考文獻(xiàn)

[1]劉帥，陳建鈞.T23水冷壁焊接接頭失效分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2019（4）：949-956.

[2]呂當(dāng)振，周延華.600MW超臨界W火焰鍋爐垂直水冷壁壁溫分布特性及偏差控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2019（11）：3312-3320.

[3]李益民，范長(zhǎng)信.DL/T438—2009火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程解讀[J].電力建設(shè)，2012（3）：97-101.