某電站鍋爐水冷壁高溫腐蝕分析

李家魯 ，王兆民,劉新星,2，程 義,2

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司， 哈爾濱 150046；2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室， 哈爾濱 150046)

0 引 言

電站鍋爐運行過程中，水冷壁外側(cè)是燃料燃燒所產(chǎn)生的高溫煙氣、內(nèi)側(cè)是高溫高壓的水和蒸汽，水冷壁材料的使用環(huán)境較惡劣，由高溫腐蝕引起的爆管在電站鍋爐水冷壁系統(tǒng)中出現(xiàn)頻率較高，影響到鍋爐運行的安全性與經(jīng)濟性[1-3]。對某服役約7 000 h 電站機組鍋爐的水冷壁向火側(cè)產(chǎn)生高溫腐蝕的現(xiàn)象進行研究，主要對高溫腐蝕的類型、形成機理及影響因素進行分析。水冷壁管子材質(zhì)為SA-210C，規(guī)格為Φ63.5×6.6 MWT，扁鋼材質(zhì)為Q235A，規(guī)格為δ=6 mm。

1 理化檢驗

1.1宏觀檢驗

通過觀察現(xiàn)場水冷壁宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，水冷壁管子向火側(cè)存在大面積的腐蝕產(chǎn)物及結(jié)渣，部分區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物有脫落現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場水冷壁照片

在腐蝕區(qū)域割取樣管進行觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯的脹粗、變形現(xiàn)象，樣管向火側(cè)管壁有不同程度減薄，大體上可分為管壁中間區(qū)、迎煙區(qū)和背煙區(qū)，如圖2所示。管壁中間區(qū)外表面未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑，迎煙區(qū)及背煙區(qū)分別位于管壁中間區(qū)的兩側(cè)，背煙區(qū)外表面存在明顯腐蝕凹坑及凹槽，壁厚減薄程度較迎煙區(qū)嚴重。管子內(nèi)表面沒有明顯的腐蝕現(xiàn)象，螺紋線完整無損壞。

圖2 樣管宏觀形貌

1.2 幾何尺寸測量

在樣管上割取環(huán)狀橫截面試樣進行壁厚尺寸測量，對比各個區(qū)域的壁厚減薄情況，測量位置如圖3所示，測量結(jié)果見表1。

1.3 化學成分分析

在樣管一端截取長約60 mm的管段，用OBLF QSN750型直讀光譜儀進行化學成分分析，結(jié)果如表2所示。

1.4 力學性能檢測

在樣管的背火側(cè)取室溫拉伸試樣，采用DW-100型電子拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗，檢測結(jié)果見表3。采用TH300洛氏硬度計對樣管向火側(cè)及背火側(cè)橫截面1/2壁厚處進行洛氏硬度試驗，檢測結(jié)果見表4。

圖3 壁厚測量位置示意圖

表1 壁厚測量結(jié)果

表2 樣管化學成分

表3 樣管力學性能

表4 樣管硬度

1.5 金相組織分析

在樣管上取環(huán)狀金相試樣。通過對試樣進行粗磨、細磨、拋光后，采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，采用AXIOVERT 200MAT光學金相顯微鏡分別觀察樣品顯微組織，金相組織如圖4、圖5所示。檢測結(jié)果表明，樣管各位置母材金相組織均為鐵素體+珠光體，晶粒度為9級，沒有球化現(xiàn)象，晶粒較為均勻，各位置晶粒度相差不大，并未發(fā)現(xiàn)明顯的過熱跡象。

圖4 樣管向火側(cè)顯微組織

圖5 樣管背火側(cè)顯微組織

1.6 SEM/EDS分析

用Apollo 300型掃描電鏡觀察樣管向火側(cè)外表面形貌發(fā)現(xiàn)，向火側(cè)外表面中間位置處殘留腐蝕產(chǎn)物較厚，腐蝕產(chǎn)物外層為疏松層，呈蜂窩狀，靠近管壁的腐蝕產(chǎn)物內(nèi)層較致密，腐蝕產(chǎn)物的主要元素為為Fe、O，含有較高含量的S，其中疏松層的S含量高于致密層。掃描電鏡觀察結(jié)果如圖6，能譜檢測位置如圖7、圖8所示，圖7、圖8中橫坐標表示發(fā)射電子能量值，縱坐標表示每秒每電子伏特的計數(shù)量，能譜檢測軟件根據(jù)各個峰的面積計算出各元素的占比，能譜檢測結(jié)果見表5。

圖6 樣管向火側(cè)腐蝕物

圖7 腐蝕物檢測位置和衍射圖(疏松層)

圖8 腐蝕物檢測位置和衍射圖(致密處)

表5 樣管向火側(cè)腐蝕物能譜

2 試驗結(jié)果分析

1) 由試驗結(jié)果可知，樣管化學成分、力學性能均滿足ASME SA-210/SA-210M《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管子》標準對SA-210C的要求，金相組織符合ASME SA-210C鋼種的特征，表明樣管所代表的原材料理化性能滿足ASME SA-210M標準的規(guī)定。樣管各位置母材的金相組織沒有球化現(xiàn)象，并未發(fā)現(xiàn)明顯的過熱跡象。

2) 根據(jù)樣管橫截面宏觀觀察和壁厚測定可知，樣管向火側(cè)背煙區(qū)壁厚減薄較嚴重，迎煙區(qū)次之，中間區(qū)壁厚未發(fā)生明顯減薄。

3) 通過對樣管向火側(cè)腐蝕產(chǎn)物進行電鏡觀察及能譜分析可知，腐蝕物外層較疏松，內(nèi)層致密。外層疏松產(chǎn)物呈蜂窩狀，主要元素為Fe、O，S含量高達13.76%，并且有一定量的Si、Al、Ca等元素，判斷其為外部積灰層，積灰中的硫以硫酸鹽的狀態(tài)存在。靠近管壁處的致密層主要元素為Fe、O、S，判斷其主要為鐵的氧化物與硫化物。

煤粉的燃燒并不完全是一個穩(wěn)定的過程，在不同的時刻爐內(nèi)的氣氛是不同的。當某一位置在某一時段還原性氣氛較強時，管壁附近的H2S和SO2反應會生成自由的硫原子，在金屬表面致密的氧化膜被破壞的情況下，S將直接與Fe反應，F(xiàn)e+S→FeS，從而加速管壁的腐蝕，反應不斷地進行，管壁就不斷發(fā)生減薄[4-5]。因此，判斷樣管外表面發(fā)生明顯腐蝕減薄的主要原因是向火側(cè)兩側(cè)區(qū)域結(jié)渣嚴重， 且附著層內(nèi)富集硫酸鹽等腐蝕介質(zhì)，使該區(qū)域發(fā)生硫酸鹽類腐蝕，導致壁厚發(fā)生明顯減薄。

3 結(jié) 語

1)水冷壁管的化學成分、力學性能均滿足ASME SA-210M標準的要求，金相組織符合SA-210C鋼種的特征。

2)水冷壁管向火側(cè)發(fā)生腐蝕的原因為煙氣中的堿金屬升華物與SO3反應，形成硫酸鹽，低熔點的硫酸鹽在水冷壁壁溫范圍內(nèi)有粘性，可捕捉灰粒，粘結(jié)為灰層，灰表面溫度上升，外面形成渣層。硫酸鹽等腐蝕介質(zhì)在附著層內(nèi)富集，使該區(qū)域管子發(fā)生高溫硫酸鹽腐蝕。