電站鍋爐水冷壁管泄漏原因分析及處理

張鴻武，岳增武，楊東旭，邵明星

（1.山東電力工業鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東濟南 250002；2.山東電力研究院，山東濟南 250002）

水冷壁管是鍋爐的重要部件之一，用于吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量，使管內介質受熱蒸發，并起到保護爐墻的作用。其設計材料要求具有良好的熱傳導性、抗熱疲勞性能及抗高溫煙氣腐蝕性能，并要求耐磨性能、工藝性能良好，尤其是焊接性能良好。常用的材料有20G、St45.8、STB42、SA210C 等，其長期使用的最高壁溫應≤450℃[1]。

某電廠鍋爐于2000 年1 月投產，系西班牙Foster Wheeler 能源公司設計制造的FWESA1189.2/17.14-1 型的亞臨界壓力、一次中間再熱、單汽包、自然循環、固態排渣的煤粉鍋爐。日前，鍋爐右側墻，標高24 米處的水冷壁管發生泄漏，泄漏前爐水pH 值約在9.2～9.5 之間。水冷壁管的設計材料為SA210C，規格為?76mm×9mm，管內介質的設計溫度為350℃，工作壓力為18MPa。截至本次泄漏，已累計運行約12 萬小時。

1 試驗

1.1 宏觀檢驗

將泄漏的水冷壁管段取樣，對泄漏口縱剖，宏觀形貌特征如圖1 所示。

（1）泄漏點位于管子向火面焊縫處，呈長方形，長約21mm，寬約14mm（圖1a）。

（2）管子內壁金屬表面上產生凹凸不平的腐蝕坑（圖1b），腐蝕坑處出現黑褐色腐蝕產物（圖1c）。

（3）焊縫內表面錯口（圖1d），根部未焊滿（圖1e），最深約為2mm。

（4）泄漏口附近管子外壁存在密集的周向裂紋，裂紋呈楔形由外壁向內壁擴展，裂紋內存在腐蝕產物（圖1f）。

1.2 化學成分檢測

表1 試樣的化學成分檢測結果 ωB/%

使用SPECTROTEST 定量光譜儀，對爆口管段進行化學成分檢測，結果表1 所示。

圖1 泄漏處宏觀形貌

根據標準ASME SA210《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管子》對SA210C 鋼的化學成分要求[2]，泄漏管段的各化學元素的含量均在標準允許范圍之內。

1.3 金相分析

對泄漏管段縱剖面進行金相檢測，打磨至600#金相砂紙，然后采用金剛石拋光劑對試樣進行機械拋光，使用4%硝酸酒精溶液（每100ml 溶液中：分析純硝酸4ml、無水乙醇96ml）進行浸蝕，浸蝕后用無水乙醇清洗，并用吹風機吹干。最后使用Axio Vert A1 金相顯微鏡對金相組織進行觀察，并參照標準DL/T674-1999《火電廠用20 號鋼珠光體球化評級標準》對珠光體進行球化評級[3]，檢測結果如下。

泄漏口邊緣的金相組織為鐵素體和碳化物，珠光體形態消失，碳化物呈球狀分布于鐵素體晶界與晶內，珠光體球化評級5 級（圖2a）；距泄漏口邊緣5mm 處金相組織為鐵素體、珠光體和碳化物，珠光體內的碳化物呈球狀聚集在晶界上，珠光體球化評級3～4 級（圖2b）；距泄漏口邊緣10 mm處金相組織為鐵素體、珠光體和少量碳化物，珠光體內的碳化物呈球狀聚集在晶界上，珠光體球化評級3 級（圖2c）；距泄漏口邊緣15 mm 處金相組織為鐵素體和珠光體，珠光體形態明顯，珠光體球化評級1～2 級，存在周向裂紋，可見裂紋呈楔形由外壁向內壁擴展，裂紋內存在腐蝕產物（圖2d）。

距泄漏口邊緣20 mm 處（圖3a）、30 mm 處（圖3b）及泄漏口背面母材（圖3c）的金相組織均為鐵素體和珠光體，珠光體形態明顯，珠光體球化評級1～2 級；泄漏口背面焊縫的金相組織為晶粒粗大的魏氏組織（圖3d）。

圖2 金相組織

圖3 金相組織

1.4 XRD 檢測

取下水冷壁管內壁腐蝕坑處的腐蝕產物，研磨成粉末，使用X'Pert Pro 型X 射線衍射儀進行物相分析，設備參數為電壓40kV，電流40mA，陽極靶材為Cu 靶，檢測結果如圖4 所示，腐蝕產物的主要成分是Fe3O4。

2 試驗結果及討論

圖4 腐蝕產物的XRD 檢測結果

泄漏口管段的化學成分在標準允許范圍之內，不存在材料錯用或者化學成分不合格的情況。焊縫附近的管子內壁腐蝕減薄嚴重，并發生泄漏，內壁腐蝕坑處存在大量黑褐色腐蝕產物，黑褐色腐蝕產物主要物相為Fe3O4。

通過金相分析，發現焊縫處的金相組織為晶粒粗大的魏氏組織，而魏氏組織是鋼的一種過熱缺陷組織[4]，結合焊縫的宏觀形貌（存在錯口和未焊滿），可見焊縫的焊接工藝不當、焊接質量較差；對比縱剖面上不同位置的金相組織球化的狀況，可發現距離泄漏口越近，珠光體球化程度越嚴重，這是由于水垢的導熱性能較差，附著在內壁之后，嚴重影響了熱傳導，爐水不能很好地冷卻管壁，造成局部向火面金屬溫度升高，形成過熱[5]，使得泄漏口附近的管壁金相組織球化等級較高；管子外壁存在密集的向內壁延伸的周向裂紋，裂紋內部存在腐蝕產物，說明裂紋在本次泄漏之前就已存在。

分析認為，焊縫的焊接質量較差，焊縫處存在錯口，并且根部存在未焊滿現象，造成局部汽水循環不通順，爐水通過時，流速降低，于此處產生渦流，垢物在此處沉積。水冷壁內表面附著的水垢、腐蝕產物等沉積物是造成局部鍋水pH 值偏高、產生垢下腐蝕的必要條件。沉積物越多越易發生垢下堿性腐蝕[6]。當垢物沉積后，熱傳導不良，管子壁溫升高，爐水在此處濃縮，pH 值升高。當pH＞13 時，管壁金屬表面上的保護膜Fe3O4會與濃縮的爐水生成反應如下[6]：

Fe3O4+4NaOH=2NaFeO2+Na3FeO2+2H2O

反應生成的NaFeO2和Na3FeO2在高pH 值下可以溶解。

當金屬保護膜溶解后，管子表面形成濃差電池，生成反應如下[6]。向火面成為陽極，反應為：

Fe-2e-=Fe2+

背火面成為陰極，反應為：

2H++2e-=H2

反應生成的Fe2+與爐水中的OH-發生如下反應：

Fe2++2OH-=Fe（OH）2

由于Fe（OH）2是不穩定的，進一步和爐水中的O2發生反應：

4Fe（OH）2+2H2O+O2=4Fe（OH）3

Fe（OH）2+2Fe（OH）3=Fe3O4+4H2O

當Fe3O4沉淀物（水垢）附著在向火面金屬內壁（陽極）后，由于水垢的阻擋，沉淀物外部的爐水不能和沉淀物下濃縮的爐水混合，造成沉淀物下爐水進一步的局部濃縮，加劇了沉淀物下金屬內壁的不斷腐蝕，逐漸形成凹凸不平的腐蝕坑，使管壁不斷減薄，直至泄漏。

本次泄漏的位置位于吹灰器附近，吹灰器存在冷凝水，當吹灰器工作時，冷凝水噴到高溫的管子外表面，造成短時間的急冷，使管壁溫度急劇交替變化，產生較大的熱應力，造成了塑性變形損傷累積，形成熱疲勞，在外壁產生密集的周向裂紋，但裂紋并未穿透管壁，不是本次泄漏的主要原因。

電站水冷壁管長期在惡劣的工況下運行，發生爆管泄漏是較為常見的事故[7]，其中垢下腐蝕就是最為常見的原因之一[8]。在鍋爐運行過程中，由于內部介質的冷卻作用，水冷壁管本身溫度并不高，但因凝汽器泄漏或給水處理設備故障造成給水中含有過量鹽分和氧時，水垢易沉積在熱負荷較高的水冷壁管向火側內壁，形成垢下腐蝕。積垢又使傳熱惡化，加速垢下腐蝕[9]，導致惡性循環，直至泄漏。

3 結論

（1）綜合以上分析，本次泄漏的原因為局部垢下堿性腐蝕。

（2）為保障鍋爐的安全運行，在全面分析爆管原因后，根據其特點，提出如下幾個建議：1）利用停爐的機會，進行酸洗，及時清除各種水垢及腐蝕產物；檢查吹灰器附近的管子，是否存在熱疲勞，對產生了疲勞裂紋的管子根據吹損及裂紋嚴重程度進行逐批更換；2）提高焊接質量，保證良好的汽水循環；3）按照GB/T 12145-2008《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》的要求，加強對爐水的化學監督，控制好爐水的pH 值，提高爐水和蒸汽的品質[10]。