電廠鍋爐水冷壁腐蝕性爆管原因分析及對策

曾 晶，張 超

（武漢鋼電股份有限公司，湖北武漢 430080）

前言

武漢鋼電股份有限公司（以下簡稱“鋼電公司”）兩臺鍋爐系原武漢鍋爐廠生產WG-670/13.7-5超高壓、中間再熱煤粉鍋爐，采取全鋼梁懸吊結構，配備中間儲倉式制粉系統，布置4×4 組煤粉(水平濃淡分離低氮)燃燒器，具備摻燒高爐煤氣及焦爐煤氣能力。

自2019 年年底以來，1#鍋爐頻繁發生水冷壁泄漏故障，機組運行安全性受到嚴重影響，多次發生因爆管導致一類強迫非計劃停運。

1 故障及爐管缺陷基本情況

鋼電公司兩臺鍋爐爐膛四周由Ф60×6.5mm、節距S=80 mm 的管子組成膜式壁，材質為20 G，爐膛寬11.92 m，深度10.8 m，高度45 m。水冷壁分為上、中、燃燒器區、下四部分，煤粉燃燒器布置高度為14.7～20.2 m。前后水冷壁下部管子傾斜50°構成冷灰斗，后水冷壁上部向爐膛內折3 m，形成折焰角。前后及兩側水冷壁各4 個回路，共形成16 路循環回路，布置情況見圖1。

圖1 鍋爐水冷壁下聯箱及循環回路布置結構圖

2019 年11 月起，1#鍋爐連續發生3 次水冷壁爆管情況，爆管后機組補水率急劇升高，補水量最大約增加了30 t/h，爐膛出口水平煙道處煙溫最大偏差達到150 ℃，參數變化提示爆口偏大，機組被迫進行降壓運行，甚至強迫非停，近3 次爆管情況見表1。

停爐檢查，事故爆管具有如下特點：

（1）爆口偏大，發生泄漏后，爐水泄漏量大，現場異音明顯，凝汽器補水量急劇升高；

表1 1#鍋爐水冷壁泄漏及處理記錄

（2）爆管高度位置相對一致，皆位于20 m 左右，處于燃燒器區域，該區域燃燒較為集中、溫度較高，區域輻射換熱強度高；

（3）爆管平面位置相對分散，除甲側墻外，其他三面爐墻皆有事故爐管，其分布位置基本無規律性。

2 檢查及檢驗

2.1 外觀檢查

割管檢查：事故爐管割管口處背火側管內肉眼觀測表面平滑、壁厚正常，向火側內壁呈坑穴狀、含有黑色垢層、局部偏紅色。見圖2、圖3。

圖2 爆口形態

圖3 管內坑穴形態

解剖測厚：在對事故爐管及旁側隨機共取10根水冷壁管，編號為A1、A2、B1、B2、D2、E1、E2 的試樣，經解剖后有明顯腐蝕坑，編號為C1、C2、D1 的試樣，經解剖后有少量腐蝕坑。

選取E1 一處腐蝕坑進行了測厚檢測，經檢測E1 管道母材平均厚度為7.13 mm，腐蝕坑中最薄處壁厚為4.37 mm，減薄尺寸為2.76 mm。

2.2 金相分析

每件試樣，在內、外壁各隨機選擇1處進行了金相分析，經表面金相檢測發現B1、B2 的試樣有局部組織為4 級完全球化現象（見圖4、圖5）。其他試樣檢測發現為二級到三級球化。具體為A2、B1、B2、D1 檢測為二級球化，A1、C1、C2、D2、E1、E2 為三級球化。

圖4 B1金相圖

圖5 B2金相圖

2.3 力學試驗

每件試樣各取一組力學試樣進行了力學試驗，檢測結果在標準規定范圍內?？估瓘姸龋≧m）≥260 N/mm2（標準為≥245 N/mm2）、屈服強度（Rel）≥430 N/mm2（標準為≥410 N/mm2）、延伸率（A）≥34%（標準為≥25%）。抽取試樣所檢項目符合評定標準要求。

綜上所述，所檢測試樣主要存在內壁腐蝕和珠光體組織球化現象。

3 調查及原因分析

3.1 追溯調查

結合水冷壁宏觀檢查、金相分析以及力學性能，總結出上述缺陷水冷壁管有如下特點：

(1)缺陷水冷壁的內表面附有大量水垢，且集中于向火側，背火側基本光滑；

(2)爐管外部形態基本正常，無明顯腐蝕特征?？友罡g發生于向火側水垢處，背火側管內形態良好，無明顯缺陷；

(3)爐管力學性能正常，有明顯結垢特征的爐管皆伴隨有球化情況，球化等級不一致。說明爐管內部結垢后，20G管材的導熱系數變差，向火側管壁溫度高，結垢嚴重的爐管金屬球化速度加快。

開展如下調查工作：

追查2016年1#機組大修時割管檢查結果，情況見表2：

表2 2016年1#機組大修時水冷壁割管檢查結果

從表2 可知，1#鍋爐爐管在2016 年割管檢驗時，垢量已經超標，需要進行酸洗除垢，但當時因大修工期原因，實際酸洗工作未開展。

隨機抽查2019 年9 月-12 月爐水品質化驗結果情況，見表3：

表3 隨機抽查2019年年底1#鍋爐爐水水質情況

由表3可知，爐水水質主要指標控制基本正常，雖偶有超標，但能很快調整至達標范圍。

3.2 原因分析

爐管向火面表面出現缺陷的可能原因主要為應力斷裂、腐蝕、疲勞、磨損、質量控制失誤（含外力影響）等，每一種失效形式起因及特征表現方式不一。應力斷裂主因是過熱運行；疲勞失效時伴有氧化皮、裂紋特征；管壁沖擊磨損發生于外壁，主要外觀特征為外壁減薄；爐管高溫腐蝕與低溫腐蝕發生于煙氣環境中，主要失效宏觀特征坑穴狀、麻點或淺溝槽，覆蓋有灰及鐵質氧化物質，發生部位在爐管外壁。

本案例中，由于缺陷水冷壁基本不存在過熱運行工作環境、爐管外壁正常、無橫向裂紋等特征，加之綜合檢查分析情況并結合理化分析結果，判定此次集中性爆管故障原因為垢下腐蝕（堿腐蝕）。鋼電1#鍋爐于1994 年投運，運行至今已經有25 年，垢量日積月累加之爐水電導偶有超標，根據表2 中結果顯示，水冷壁積垢量已經超出正常范圍。

當受熱面管內壁有水垢時，由于垢的傳熱性很差，垢下金屬管壁的溫度升高，滲到垢下面的鍋爐水會發生急劇蒸濃，爐水的高度濃縮，爐水中的OH-在垢層下方富集，具有很強的侵蝕性，水冷壁內壁保護膜受到破壞，鐵和水形成堿性電池，發生堿性腐蝕，伴隨有氧腐蝕（缺陷爐管內部有黑紅色鐵氧化物等生成物）

電化學腐蝕主要化學反應式為：

陽極Fe -2e →Fe2+

陰極2H++2e →H2

垢層下方的生成的H2與鋼中的滲碳體反應后鐵的體積縮小，結構變化使得水冷壁管強度降低，加之垢層導致爐管工作溫度升高，球化速度加快，金屬管薄弱處無法承受管內汽水介質壓力，導致爆管事故發生。

4 改進措施

4.1 對水冷壁管缺陷部分進行大面積更換

根據解剖測厚結果，水冷壁管存在大量結垢和大幅減薄，已基本不具備酸洗條件，由于四面爐墻工作環境基本相同，缺陷情況也基本相似，加之爆管區域的分散性，為保證機組安全運行，須對已發生腐蝕的水冷壁管缺陷段進行全面更換。

為確定更換高度，對1#鍋爐后墻甲往乙第58根、第115根進行擴大區域割管檢查，發現自鍋爐標高13 m 高度向下、33 m 向上部分，肉眼不可見水冷壁結垢情況，且內壁情況良好。確定鍋爐四面墻共552 根水冷壁管，自標高13～33 m 部分進行大面積更換，徹底消除水冷壁腐蝕減薄和管材球化缺陷。

4.2 確保汽水品質穩定達標

提高化學監督管理力度，化驗站加強對爐水、給水及其他汽水品質的在線監督工作，嚴格按照操作標準執行化驗步驟，儀表做好保養和定期標定，并由生產技術室每周執行至少3 次抽樣復檢，確保合格的爐水品質。此外，增加鍋爐定期排污頻次，由以往每周3 次定期排污，增加為每周5 次，以控制爐水電導穩定達標，減少出現爐水品質不合格而被動調整的情況。

4.3 扎實做好金屬監督工作

水冷壁設計使用年限約10 萬h，鋼電兩臺鍋爐水冷壁管實際已超過設計年限，加之機組啟、停次數相對頻繁，需進一步強化金屬監督力度，嚴格按照DL438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》、DL/T939-2005《火力發電廠鍋爐受熱面管道監督檢驗技術導則》中相關要求開展金屬監督工作。

在鍋爐檢修期間，有計劃性對受熱面管道進行全面外觀質量檢查，重點檢查腐蝕、鼓包、變形和裂紋情況，并對1#鍋爐未換管部分、2#爐四面爐墻進行重點抽樣檢驗，此項工作力度需加大，視檢驗情況采取措施，可考慮對2#鍋爐水冷壁管進行計劃性大面積更換。