某自備電廠鍋爐水冷壁管穿孔原因

郭 丹, 彭章華, 張維科, 翟光杰, 何成文, 蔣 華

(1.西安熱工研究院有限公司, 西安 710032; 2.內蒙古蘭太實業股份有限公司, 烏海 016000； 3.山西中電神頭第二發電有限責任公司, 朔州 036011)

水冷壁管是電廠鍋爐的基本部件，其內部流動著高溫水汽介質，外部吸收著爐膛輻射熱量。長期以來，因制造、超溫、腐蝕等問題誘發的泄漏爆管事件頻頻發生[1-5]，嚴重威脅著機組的高效、穩定運行。因此，及時分析產生原因和探究機理，是預防隱患和解決問題的必要措施。

某自備火力發電廠于2005年1月投產運行，為工業園區提供水、電、汽等綜合服務。鍋爐采用的是UG-75/5.3-M14型中溫中壓循環流化床，鍋爐的額定蒸汽壓力為5.3 MPa，額定蒸汽溫度為485 ℃。爐膛水冷壁管采用全懸吊結構，由材料為20G鋼、規格為φ60 mm×5 mm的膜式管排列組成，爐膛前、后、左、右墻分布的水冷壁管數量分別為59，59，33，33根。2013年至今鍋爐水冷壁多根管發生穿孔事故，造成多起非計劃停運事故。為找到水冷壁管的穿孔原因，筆者對爆裂水冷壁管進行了一系列檢驗與分析，以期減少該類事故的發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

圖1為穿孔水冷壁管的宏觀形貌。由圖1a)可知，穿孔位置位于向火側抓釘附近，為不規則穿孔，邊緣呈刀刃狀，管外徑為59.18～59.88 mm，接近公稱外徑60 mm，管徑未脹粗。由圖1b)可知，背火側壁厚為5.12 mm，接近公稱壁厚(5 mm)，管壁未減薄；然而，向火側壁厚最薄部位不足1 mm，減薄現象嚴重。由圖1c)可知，管內壁附著堅硬、厚實且凹凸不平的垢層。

圖1 穿孔水冷壁管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of perforated water wall tube：a) outer surface; b) cross section; c) inner surface

1.2 內壁垢層分析

采用Axios型4.0 kW的X射線熒光儀(XRF)分析垢層的化學成分，結果如表1所示。可知垢樣的主要組成元素為氧、鐵，同時還含有鈣、鎂、鈉、硅、鋁、鋅等元素。

表1 爆裂水冷壁管內壁垢層的XRF分析結果(質量分數) Tab.1 XRF analysis results of inner surface scale layer ofburst water wall tube (mass fraction) %

采用Ultima IV型X射線衍射儀(XRD)分析垢層的物相組成，結果如圖2所示。可知主要物相為Ca5(PO4)3OH,Mg2(PO4)OH,(Fe,Zn)(Fe,Al)2O4,Fe2O3,Na2SiO3，堿式鈣鎂、氧化鐵和硅酸鹽質量分數分別約為45%，32%，13%。

圖2 穿孔水冷壁管內壁垢層的XRD譜Fig.2 XRD spectrum of scale layer on inner surface ofperforated water wall tube

考慮到穿孔位置垢層破壞嚴重，因此選取穿孔位置附近較完整的管段測量垢量。經洗垢、計算可知,向火側單位面積垢量為978.5 g·m-2，背火側單位面積垢量為587.0 g·m-2，洗垢前后管內壁形貌如圖3所示。依據DL/T 794-2012《火力發電廠鍋爐化學清洗導則》可知，管內壁結垢量大，且已超過規定的清洗標準600 g·m-2。

圖3 穿孔水冷壁管清洗前后內壁宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of inner surface of perforatedwater wall tube before and after cleaning：a) fire side before cleaning; b) fire side after cleaning; c) back fire side before cleaning; d) back fire side after cleaning

1.3 金相檢驗

在水冷壁管的穿孔失效部位和遠離穿孔未失效部位分別制取橫截面試樣，采用光學顯微鏡對其進行觀察，顯微組織形貌如圖4所示。

由圖4a)～c)可知，穿孔為穿晶斷裂；穿孔處外壁、心部及內壁均未見脫碳，且未見晶間微裂紋等氫損傷現象。進一步觀察圖4c)，可見內壁靠近垢層的基體金屬存在明顯的腐蝕現象。根據DL/T 674-1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》的技術要求對遠離穿孔部位的向火側、背火側進行觀察，可知顯微組織均為鐵素體+珠光體，球化級別為1級，未球化，穿孔水冷壁管的顯微組織正常。

1.4 現場檢驗

1.4.1 儀表設備

經現場檢查可知，除混床出口電導表外，廠區其他在線監測儀表均已損壞或缺失，僅依靠手工取樣分析；凝汽器管材料為黃銅，2011年前曾數次出現穿孔泄漏，導致未經處理的冷卻水直接混入鍋爐系統。

1.4.2 水汽品質

采用Cond 3310型電導率儀測水汽(氫)電導率；采用pHS-3C型酸度計測水汽的pH；采用U-2900型分光光度計測水汽中硅含量；采用Dionex-500、ICS-1100AR離子色譜儀分別測水汽中陰離子、陽離子含量。

圖4 爆裂水冷壁管顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of burst water wall tube：a) outer surface of burst position; b) center of burst position; c) inner surface of burst position; d) inner surface of fire side far away from burst position; e) inner surface of back fire side far away from burst position

該自備電廠鍋爐補給水以循環水、排污水為水源，以黃河水、地下水為備用水源。

表2,3,4分別為給水中陰離子、陽離子、SiO2含量和氫電導率、pH的測試結果。由表2可知PO43-質量濃度最低為2.88 μg·L-1、最高為15.28 μg·L-1，波動較大；其余陰離子含量無明顯異常。由表3可知各陽離子含量無明顯異常。由表4可知給水pH為8.67，8.69，8.95，前兩天的pH低于GB/T 12145-2016《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》對給水pH為8.8～9.4的要求；SiO2質量濃度為8.66，11.10，6.25 μg·L-1，符合標準不大于20 μg·L-1的要求；氫電導率無明顯異常。

表2 給水中陰離子含量測試結果(質量濃度)Tab.2 Test results of anion content of feed water (mass concentration) μg·L-1

表3 給水中陽離子含量測試結果(質量濃度)Tab.3 Test results of cation content offeed water (mass concentration) μg·L-1

表4 給水氫電導率、pH、SiO2含量測試結果Tab.4 Test results of hydrogen conductivity,pH and SiO2 content of feed water

表5 爐水中陰離子含量測試結果(質量濃度)Tab.5 Test results of anion content of boiler water (mass concentration) μg·L-1

表6 爐水中陽離子含量測試結果(質量濃度)Tab.6 Test results of cation content of boilerwater (mass concentration) μg·L-1

表7 爐水氫電導率、pH、SiO2含量測試結果Tab.7 Test results of hydrogen conductivity,pH and SiO2 content of boiler water

2 分析與討論

水冷壁管穿孔為不規則穿孔，邊緣呈刀刃狀，管壁未脹粗；向火側內壁腐蝕減薄嚴重，附著堅硬且厚實的堿式鈣鎂垢、氧化鐵垢和硅酸鹽垢；管內壁結垢量超過標準的規定；穿孔處顯微組織呈穿晶斷裂形貌，向火側內壁靠近垢層的基體金屬存在明顯的腐蝕現象，未見晶間微裂紋，顯微組織正常。

根據現場檢驗可知，生產中缺失在線儀表監測；凝汽器曾數次發生穿孔泄漏；給水中PO43-含量偏大且波動明顯；爐水中PO43-含量接近限值，電導率和SiO2含量明顯偏高。

依據以上特征判斷該水冷壁管的穿孔原因是水質不良造成了垢下堿腐蝕，局部腐蝕后管壁減薄，當薄到不足以承受工作壓力后發生穿孔[6-9]。

正常運行時，爐管內壁會形成一層致密的Fe3O4保護膜,反應式為

(1)

然而，前期凝汽器泄漏，導致未經處理的冷卻水直接混入鍋爐系統，引入大量鹽分，加上沒有在線儀表的監測，不能及時調控加藥量來抑制水垢的形成，導致不良水質流轉于鍋爐中。高溫環境下，爐水中堿式鈣鎂鹽、硅酸鹽等溶解度下降，鹽分析出，附著在爐管內壁；同時，流動腐蝕還將產生氧化鐵垢。

隨著鍋爐運行時間的增加，各類水垢不斷積累，垢層越來越堅硬、厚實，為垢下腐蝕提供了條件。由于垢層傳熱性能差，爐管管壁溫度迅速升高、爐水急劇蒸濃。一方面，濃縮的垢下爐水受垢層阻礙無法與中部爐水混均，各種雜質濃度升高，形成腐蝕性溶液破壞Fe3O4保護膜。另一方面，有氧環境中垢下易發生氧去極化和不溶性鹽垢還原反應,反應式為

(2)

(3)

反應生成的氫氧根使濃縮的垢下爐水中的堿性物質(如氫氧化鈉和堿式鈣鎂垢等)濃度進一步升高至危險濃度，最終發生電化學反應、腐蝕減薄金屬基體[10-11]，直至剩余壁厚不足以承受內壓而爆裂,反應式為

(4)

(5)

反應過程中，產生的少量氫氣隨水汽被攜帶，因此并不會造成晶間微裂紋等氫脆損傷[12],反應式為

(6)

3 結論及建議

(1) 水冷壁管穿孔的主要原因是水質不良且現場缺少在線儀表監測設備，導致管內壁結成堿性垢層，金屬基體發生垢下腐蝕，管壁減薄至無法承受應力而發生穿孔泄漏。

(2) 建議對鍋爐進行酸洗，及時清理受熱面結垢層，并加裝在線監測儀表，強化水汽品質監督和調控。

(3) 建議增加對水冷壁管的壁厚檢查，對于小于設計最小壁厚的水冷壁管應及時更換，以免造成非停等運行故障。