亞臨界鍋爐水冷壁管腐蝕機理研究

周公文*

（泰安市特種設備檢驗研究院）

0 前言

某燃煤電廠亞臨界鍋爐停機檢修時，發現水冷壁管向火側外表面存在大面積結焦，去除結焦層后發現管壁出現明顯減薄現象，現場測量該管道的最小壁厚僅為3.2 mm。該水冷壁管規格為 45 mm×5.4 mm（內螺紋管），材質為20G，設計溫度為369 ℃，設計壓力為21 MPa。鍋爐投產后又進行了低氮燃燒器改造，改造前水冷壁管未發生明顯減薄現象。低氮燃燒器改造的原理是將燃料方式在鍋爐內集中燃燒改為雙尺度分級燃燒，從而降低鍋爐出口的NOx排放量。在低氮燃燒器改造完成之后，鍋爐內大量投用了高硫煤，通過該次檢修發現，鍋爐水冷壁管發生了嚴重的減薄現象。

本文對減薄的水冷壁管進行理化分析檢驗，通過化學成分分析、機械性能試驗、強度計算和金相組織分析，找出引起水冷壁管發生嚴重減薄的主要原因，并給出了相應的改進建議。

1 試驗過程和試驗儀器

對減薄的水冷壁管進行了宏觀檢查并對其運行狀態進行了強度計算。通過采用X 射線熒光光譜分析測試水冷壁管表面腐蝕層的化學成分。取減薄嚴重處水冷壁管鑲嵌金相試樣，經磨制拋光后，采用4%（質量分數）硝酸酒精溶液腐蝕，采用Carl Zeiss Axio Observer A1m 型金相顯微鏡觀測水冷壁管的金相組織形態。在水冷壁管向火面和背火面上各取一個拉伸試樣，試樣規格尺寸應按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》標準規定，在材料萬能試驗機上檢驗材料的拉伸性能。利用HBE-3000A 布氏硬度計，在金相試樣上進行宏觀布氏硬度檢驗。

2 試驗結果和討論

2.1 宏觀檢查

圖1 為外表面減薄嚴重的水冷壁管宏觀形貌。從圖1 中可見，水冷壁管表面存在大面積腐蝕現象，大部分腐蝕產物層脫落，導致管壁嚴重減薄。

圖1 腐蝕嚴重的水冷壁管宏觀形貌

2.2 強度計算

該水冷壁管的設計溫度為369 ℃，設計壓力為21 MPa，依據GB/T 16507.4—2013 《水管鍋爐 第4 部分:受壓元件強度計算》中的計算公式對管道最小需要厚度進行計算：

式中：δmin——最小需要壁厚；

δt——管子計算厚度；

C1——腐蝕裕量，取0.5 mm；

p——計算壓力，取21 MPa；

D0——管子外徑，取45 mm；

φmin——最小減弱系數，取1；

[σ] ——許用應力，20G 材料在400 ℃時持久強度平均值為128 MPa。

根據式（1）計算可得管道的最小需要壁厚應為3.9 mm。

強度計算結果顯示：最小需要壁厚為3.9 mm，大于實測最小壁厚3.2 mm，該水冷壁管計算強度不滿足設計要求。

2.3 表面覆層成分分析

表1 為水冷壁管表面腐蝕產物的化學成分，檢驗結果表明水冷壁管外表面腐蝕產物主要為硫化物。

表1 水冷壁管表面腐蝕產物化學成分

2.4 金相檢驗

圖2 為水冷壁管母材及外壁的金相組織形貌。顯微組織檢驗表明，管道金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為8 級，顯微組織中碳化物開始分散，珠光體區域完整，球化級別為2 級，腐蝕產物下管道外壁表面平整，少量區域存在深度較淺、底部圓滑的凹坑，未見裂紋及孔洞型表面缺陷，表明管道表面腐蝕為均勻腐蝕。

2.5 力學性能檢測

表2 是水冷壁管力學性能表，1 號和2 號分別為水冷壁管向火面試樣和背火面試樣。檢驗結果表明，水冷壁管的力學性能符合20G 材料的標準要求。

2.6 結果分析與討論

該水冷壁管外表面發生了嚴重腐蝕現象，根據X射線熒光光譜分析可知，腐蝕產物主要為硫化物，高硫煤在鍋爐中燃燒，使水冷壁管發生高溫硫腐蝕[1-2]，導致管壁減薄嚴重。通過運行狀態強度計算得出水冷壁管運行時所需最小需要壁厚大于實測最小壁厚，該水冷壁管強度已不滿足鍋爐安全運行條件，存在安全隱患。

圖2 水冷壁管的金相組織形貌

3 結論

該燃煤電廠的低氮燃燒器改造將燃料在鍋爐內的燃燒方式從集中燃燒改為雙尺度分級燃燒，燃燒方式改變后造成主燃燒區含氧量偏低，爐膛內還原性氣氛濃度升高，水冷壁管向火側處于嚴重缺風狀態，導致一次風所帶煤粉沖刷水冷壁，由于向火側一次風氣流距離水冷壁較近，溫度較高，造就了易產生高溫腐蝕的外部環境。在低氮燃燒器改造后，主燃燒區氧含量偏低，使得水冷壁管表面結焦，促進高溫腐蝕，而實際入爐煤的硫含量偏高是加劇水冷壁管發生高溫硫腐蝕的主要原因。該水冷壁管表面存在嚴重硫腐蝕，這是由鍋爐投入高硫煤作為燃料導致的，硫腐蝕使管壁減薄加速，使得水冷壁管計算強度不滿足設計要求。

表2 水冷壁管的力學性能

建議更換剩余壁厚小于4.2 mm 的管道，并嚴格控制入爐煤中硫的含量；對存在高溫腐蝕的水冷壁區域進行防腐噴涂或添加陶瓷涂層處理[3]；或開展低氮燃燒器的技術改造，優化燃燒調整，降低爐膛還原性氣氛濃度。