鍋爐水冷壁高溫腐蝕區(qū)橫向裂紋分析研究

劉 文

（山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

水冷壁管高溫腐蝕區(qū)域易產(chǎn)生橫向裂紋，嚴(yán)重威脅電站鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，水冷壁高溫腐蝕區(qū)橫向裂紋引發(fā)亞臨界鍋爐水冷壁爆管事故，最終導(dǎo)致非計劃停機(jī)事故。鍋爐水冷壁高溫腐蝕區(qū)的橫向裂紋產(chǎn)生因素較多，如鍋爐啟停、水質(zhì)、運(yùn)行控制等。由于橫向裂紋產(chǎn)生機(jī)理及擴(kuò)展原因復(fù)雜，現(xiàn)場檢驗(yàn)檢測條件有限。因此，當(dāng)前急需加強(qiáng)對電站鍋爐水冷壁高溫腐蝕區(qū)橫向裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展原因及應(yīng)對措施的研究工作。

某電廠鍋爐在停機(jī)檢查中，監(jiān)督檢查人員宏觀發(fā)現(xiàn)鍋爐高溫腐蝕區(qū)水冷管外壁存在多條橫向裂紋，水冷壁材質(zhì)為SA-210，規(guī)格為Ф63.5×8mm，均為軋制內(nèi)螺紋管。通過宏觀觀察，材質(zhì)分析和無損檢測，研究分析鍋爐水冷壁管橫向裂紋的產(chǎn)生原因。結(jié)果表明：在壁溫波動導(dǎo)致的熱疲勞應(yīng)力和高溫的共同作用下，管樣向火面外壁邊緣可見內(nèi)壁擴(kuò)展的穿晶型裂紋，裂紋內(nèi)部充滿腐蝕產(chǎn)物，最終導(dǎo)致水冷壁管泄漏。

1 設(shè)備情況簡介

某電廠一期工程2 臺300MW 機(jī)組分別于1991 年7月和12 月份相繼投產(chǎn)，二期工程2 臺300MW 機(jī)組分別于1993 年12 月和1994 年11 月投產(chǎn)，鍋爐為亞臨界一次中間再熱自然循環(huán)300MW 鍋爐，后4 臺機(jī)組均擴(kuò)容到320-330MW。鍋爐以MCR 工況為設(shè)計參數(shù)，在機(jī)組電負(fù)荷321MW 情況下的鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為1025t/h。機(jī)組負(fù)荷為300MW 時，鍋爐的額定蒸發(fā)量為935t/h。

水冷壁及燃燒器布置：

鍋爐均使用四角切圓燃燒，在爐膛每個角放置煤粉燃燒器5 只，布置二次風(fēng)口3 只，布置三次風(fēng)口2 只。爐膛四周由Ф63.5×8mm 的光管和內(nèi)螺紋管加扁鋼焊接成規(guī)格材料為Ф63.5×8mm，SA-210 的膜式水冷壁。

2 一、二期水冷壁高溫腐蝕

2.1 水冷壁高溫腐蝕

以1 號爐為例：1 號爐1991 年7 月份投產(chǎn)，1995 年1 月份小修，開始發(fā)現(xiàn)水冷壁高溫腐蝕問題。經(jīng)過燃燒器改造、水冷壁噴涂等治理手段，水冷壁高溫腐蝕得到緩解和基本控制，但水冷壁高溫腐蝕從沒有停止過。自1995年開始水冷壁高溫腐蝕換管至2019 年6 月，1 號爐累計更換高溫腐蝕減薄超標(biāo)水冷壁管1268 根。

2.2 一、二期水冷壁橫向裂紋

2.2.1 橫向裂紋的初期

早期鍋爐進(jìn)行金屬監(jiān)督防磨防爆檢查時，發(fā)現(xiàn)鍋爐內(nèi)部燃燒器周圍水冷壁外壁有橫向“細(xì)線”，見圖1，未進(jìn)行擴(kuò)大進(jìn)一步檢查處理。

圖1 水冷壁橫向裂紋

2.2.2 橫向裂紋的擴(kuò)展

首次發(fā)現(xiàn)水冷壁橫向裂紋擴(kuò)展，于2016 年10 月#1鍋爐大修期間，委托哈鍋容器工程公司對因高溫腐蝕減薄超標(biāo)的水冷壁管進(jìn)行更換。更換后對焊縫焊接質(zhì)量進(jìn)行射線檢測，發(fā)現(xiàn)新焊口周邊的舊管存在多條裂紋。經(jīng)與廠方匯報后，加大射線檢測范圍，對存在缺陷的管子全部割除并換管。對割除的舊水冷壁管進(jìn)行表面探傷滲透檢測，發(fā)現(xiàn)多條橫向裂紋，見圖2。經(jīng)打磨，發(fā)現(xiàn)裂紋深度，普遍在0.4-2.1mm 之間，個別達(dá)到3mm，占水冷壁管壁厚的37%。

圖2 滲透檢測發(fā)現(xiàn)的橫向裂紋

3 原因分析及采取的措施

3.1 水冷壁高溫腐蝕原因初步分析

3.1.1 煤質(zhì)含硫量增加，是導(dǎo)致水冷壁高溫腐蝕加劇的主要因素

一二期300MW 機(jī)組鍋爐設(shè)計煤質(zhì)含硫量為≤1.20%，而從近三年燃煤硫份均在1.50%左右。根據(jù)相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)資料，含硫量1.0%以下的貧煤很少發(fā)生水冷壁高溫腐蝕；含硫量在1.2～1.5%，水冷壁高溫腐蝕速率為1.5～3mm/萬h；含硫量大于1.5%，水冷壁高溫腐蝕會更加嚴(yán)重，部分鍋爐水冷壁高溫腐蝕速率到達(dá)2.6mm/年。

3.1.2 低氮燃燒器改造

燃燒器區(qū)域低氧燃燒運(yùn)行方式，導(dǎo)致水冷壁腐蝕加劇，是近年水冷壁高溫腐蝕嚴(yán)重的重要原因之一。低氮燃燒器改造采用空氣分級低NOx燃燒技術(shù)，以降低NOx生成和排放。當(dāng)前空氣分級燃燒技術(shù)一般需采用分離SOFA 技術(shù)，造成主燃燒器區(qū)易出現(xiàn)局部的低氧燃燒，形成局部的還原性氣氛，可使灰熔點(diǎn)降低，誘發(fā)結(jié)渣或強(qiáng)化結(jié)渣現(xiàn)象發(fā)生；此時水冷壁表面出現(xiàn)還原性氣氛，CO 濃度較高，氧濃度很低，在硫化物及未燃盡的碳粒子綜合作用下，會造成水冷壁表面的高溫腐蝕。新版DL/T612 新增第6.11.2 條款：采用低氮燃燒技術(shù)的鍋爐水冷壁宜采用防止高溫腐蝕措施。采用低氮燃燒技術(shù)的鍋爐，由此引發(fā)的問題是可能導(dǎo)致水冷壁出現(xiàn)高溫腐蝕，特別是前后墻對沖燃燒的鍋爐，目前，部分鍋爐側(cè)墻出現(xiàn)了水冷壁高溫腐蝕的問題。

3.1.3 水冷壁噴涂質(zhì)量差

鍋爐檢修期間，對監(jiān)督檢驗(yàn)質(zhì)量把控不嚴(yán)，導(dǎo)致產(chǎn)生高溫腐蝕，機(jī)組在2016 年10 月#1 鍋爐大修期間，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)水冷壁的防護(hù)涂層部分脫落，水冷壁燃燒器區(qū)域高溫腐蝕嚴(yán)重，采取措施，更換高溫腐蝕區(qū)域減薄超標(biāo)的水冷壁管，并對防護(hù)涂層脫落部位進(jìn)行補(bǔ)噴，未對涂層進(jìn)行深入的分析，造成水冷壁防護(hù)涂層大面積脫落，最終產(chǎn)生高溫腐蝕，引發(fā)爆管。

3.2 水冷壁高溫腐蝕區(qū)橫向裂紋產(chǎn)生的原因分析

3.2.1 橫向裂紋特征

該裂紋為腐蝕性熱疲勞水冷壁向火側(cè)外壁存在多條垂直軸向分布且相互平行的裂紋，裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展并充有硫化物類腐蝕產(chǎn)物，具有典型的腐蝕性熱疲勞特征。

3.2.2 橫向裂紋產(chǎn)生的機(jī)理

通常，在主燃燒器和燃盡風(fēng)區(qū)間附近的水冷壁承受有較高熱負(fù)荷及溫度變化。容易使機(jī)組在點(diǎn)火啟動、停爐、切換磨煤機(jī)、調(diào)峰、調(diào)負(fù)荷等工況下造成工質(zhì)擾動、溫度分布不均，從而引起壁溫頻繁波動。水冷壁爐內(nèi)管外壁受到冷-熱溫度變化即會產(chǎn)生熱應(yīng)力。在熱交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，管壁塑性變形的缺陷得以疊加，從而在水冷壁外壁產(chǎn)生多處微裂紋，裂紋將由外向內(nèi)壁發(fā)展；同時，H2S等腐蝕性物質(zhì)沿管子外壁的微裂紋進(jìn)入管基體，通過持續(xù)的腐蝕作用，加快了微裂紋沿應(yīng)力集中方向發(fā)展。還有，部分鍋爐燃燒區(qū)域的空氣動力場不穩(wěn)定引起火焰來回沖擊水冷壁管壁，導(dǎo)致水冷壁管壁溫波動，溫差變化幅度大，形成交變應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞損傷。水冷壁管壁溫變化和波動頻率影響疲勞裂紋的發(fā)展，溫差變化和波動頻率越大，橫向裂紋擴(kuò)展越快，最終形成了此類水冷壁橫向裂紋為腐蝕性熱疲勞裂紋。拉伸實(shí)驗(yàn)分析，對取樣管進(jìn)行拉伸試樣，按照《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)采用常溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法，水冷壁管橫向裂紋導(dǎo)致管樣高溫腐蝕區(qū)斷后伸長率均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

金相分析結(jié)果顯示，管樣裂紋區(qū)域基體組織均為鐵素體+珠光體，組織正常；管樣向火面外壁邊緣可見內(nèi)壁擴(kuò)展的穿晶型裂紋，裂紋內(nèi)部充滿腐蝕產(chǎn)物，裂紋尖端較尖銳，見圖3。

圖3 縱向樣裂紋形貌

3.2.3 水冷壁橫向裂紋擴(kuò)展的原因分析

水冷壁管更換時，因與新管對接的舊管存在表面微細(xì)裂紋，在焊接熱應(yīng)力的作用下，致使裂紋擴(kuò)張。從而導(dǎo)致舊管母材側(cè)開裂，由于微裂紋與焊縫距離位置的遠(yuǎn)-近及微裂紋深度的影響不同，在焊接應(yīng)力的作用下微裂紋擴(kuò)展的程度不同。金相組織正常，說明超溫運(yùn)行的可能性不存在，也從側(cè)面證明是由于焊接熱應(yīng)力的作用導(dǎo)致了熱疲勞開裂。

能譜分析表明，裂紋中存在硫元素的富集，形成一條硫元素從裂紋根部向尖端擴(kuò)展的通道，該通道內(nèi)硫元素的遷移為裂紋擴(kuò)展提供動力，故裂紋擴(kuò)展速率較快。腐蝕性煙氣通過腐蝕促進(jìn)了橫向裂紋的擴(kuò)展。具體過程為：煤粉中Fe 的硫化物和管壁外側(cè)的H2S 和SO2發(fā)生分解化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生自由態(tài)的硫原子。在缺乏氧氣的條件下游離態(tài)的硫和硫化物與Fe 反應(yīng)生成FeS 相比硫的燃燒和三氧化硫的形成更為容易，所以優(yōu)先反應(yīng)生成FeS。生成的FeS 進(jìn)一步發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生Fe3O4，當(dāng)裂紋中的氧化皮裂開后，腐蝕介質(zhì)進(jìn)入裂口重復(fù)上一個過程。這個過程不斷循環(huán)，促使裂紋加速擴(kuò)展。由于水冷壁向火面橫向裂紋僅存在于附著物區(qū)域，說明裂紋是由于腐蝕和疲勞共同作用的結(jié)果。

4 水冷壁橫向裂紋和高溫腐蝕應(yīng)對措施

（1）加強(qiáng)焊接過程管控，并對焊接過程中導(dǎo)致橫向裂紋擴(kuò)展嚴(yán)重的管子進(jìn)行重新更換，焊接嚴(yán)格控制對接焊口的間隙、小電流等措施，盡最大可能減少焊接熱應(yīng)力，降低焊接熱應(yīng)力對高溫腐蝕區(qū)水冷壁管的影響，防止原裂紋擴(kuò)展。

（2）結(jié)合機(jī)組檢修，加強(qiáng)對高溫腐蝕區(qū)水冷壁管的防磨防爆檢查，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，條件允許時盡可能對其進(jìn)行更換。

（3）機(jī)組深度調(diào)峰時，應(yīng)將升降負(fù)荷的頻率控制在合理區(qū)域，避免急升急降。在停爐時應(yīng)采取“悶爐”最大幅度減小溫度下降速率，以減少拉應(yīng)力對水冷壁管子的損傷。

（4）機(jī)組啟爐階段，可每小時記錄一次鍋爐膨脹量，為分析膨脹是否受阻提供依據(jù)。

（5）通過燃燒調(diào)整等措施盡可能避免或減少水冷壁高溫腐蝕。新版DL/T612 第13.5.4 條款：加強(qiáng)鍋爐燃燒調(diào)整，改善貼壁氣氛，避免高溫腐蝕。鍋爐采用主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)低于1.0 的低氮燃燒技術(shù)時，應(yīng)加強(qiáng)貼壁風(fēng)氣氛監(jiān)視，C 級及以上檢修時應(yīng)檢查鍋爐水冷壁管壁高溫腐蝕情況。

（6）避免長期燃用硫含量偏高的煤種。

綜上所述，該水冷壁管表面裂紋屬于典型的橫向典型，是軸向交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的熱疲勞裂紋，腐蝕介質(zhì)的存在加速了熱疲勞裂紋的擴(kuò)展。與單純的熱疲勞不同，腐蝕疲勞不存在疲勞極限，與無腐蝕時材料的正常疲勞極限相比，腐蝕會在較小應(yīng)力和較少循環(huán)周次時加速疲勞失效，并常引起多條平行裂紋同時擴(kuò)展，最終會導(dǎo)致水冷壁管沿周向斷裂失效。