鍋爐水冷壁高溫腐蝕區橫向裂紋分析研究

劉 文

（山東電力工業鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250002）

水冷壁管高溫腐蝕區域易產生橫向裂紋，嚴重威脅電站鍋爐的安全穩定運行，造成嚴重的經濟損失。近年來，水冷壁高溫腐蝕區橫向裂紋引發亞臨界鍋爐水冷壁爆管事故，最終導致非計劃停機事故。鍋爐水冷壁高溫腐蝕區的橫向裂紋產生因素較多，如鍋爐啟停、水質、運行控制等。由于橫向裂紋產生機理及擴展原因復雜，現場檢驗檢測條件有限。因此，當前急需加強對電站鍋爐水冷壁高溫腐蝕區橫向裂紋產生、擴展原因及應對措施的研究工作。

某電廠鍋爐在停機檢查中，監督檢查人員宏觀發現鍋爐高溫腐蝕區水冷管外壁存在多條橫向裂紋，水冷壁材質為SA-210，規格為Ф63.5×8mm，均為軋制內螺紋管。通過宏觀觀察，材質分析和無損檢測，研究分析鍋爐水冷壁管橫向裂紋的產生原因。結果表明：在壁溫波動導致的熱疲勞應力和高溫的共同作用下，管樣向火面外壁邊緣可見內壁擴展的穿晶型裂紋，裂紋內部充滿腐蝕產物，最終導致水冷壁管泄漏。

1 設備情況簡介

某電廠一期工程2 臺300MW 機組分別于1991 年7月和12 月份相繼投產，二期工程2 臺300MW 機組分別于1993 年12 月和1994 年11 月投產，鍋爐為亞臨界一次中間再熱自然循環300MW 鍋爐，后4 臺機組均擴容到320-330MW。鍋爐以MCR 工況為設計參數，在機組電負荷321MW 情況下的鍋爐最大連續蒸發量為1025t/h。機組負荷為300MW 時，鍋爐的額定蒸發量為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，布置二次風口3 只，布置三次風口2 只。爐膛四周由Ф63.5×8mm 的光管和內螺紋管加扁鋼焊接成規格材料為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，1995 年1 月份小修，開始發現水冷壁高溫腐蝕問題。經過燃燒器改造、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

早期鍋爐進行金屬監督防磨防爆檢查時，發現鍋爐內部燃燒器周圍水冷壁外壁有橫向“細線”，見圖1，未進行擴大進一步檢查處理。

圖1 水冷壁橫向裂紋

2.2.2 橫向裂紋的擴展

首次發現水冷壁橫向裂紋擴展，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的水冷壁管進行更換。更換后對焊縫焊接質量進行射線檢測，發現新焊口周邊的舊管存在多條裂紋。經與廠方匯報后，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行表面探傷滲透檢測，發現多條橫向裂紋，見圖2。經打磨，發現裂紋深度，普遍在0.4-2.1mm 之間，個別達到3mm，占水冷壁管壁厚的37%。

圖2 滲透檢測發現的橫向裂紋

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 煤質含硫量增加，是導致水冷壁高溫腐蝕加劇的主要因素

一二期300MW 機組鍋爐設計煤質含硫量為≤1.20%，而從近三年燃煤硫份均在1.50%左右。根據相關專業文獻資料，含硫量1.0%以下的貧煤很少發生水冷壁高溫腐蝕；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重，部分鍋爐水冷壁高溫腐蝕速率到達2.6mm/年。

3.1.2 低氮燃燒器改造

燃燒器區域低氧燃燒運行方式，導致水冷壁腐蝕加劇，是近年水冷壁高溫腐蝕嚴重的重要原因之一。低氮燃燒器改造采用空氣分級低NOx燃燒技術，以降低NOx生成和排放。當前空氣分級燃燒技術一般需采用分離SOFA 技術，造成主燃燒器區易出現局部的低氧燃燒，形成局部的還原性氣氛，可使灰熔點降低，誘發結渣或強化結渣現象發生；此時水冷壁表面出現還原性氣氛，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。采用低氮燃燒技術的鍋爐，由此引發的問題是可能導致水冷壁出現高溫腐蝕，特別是前后墻對沖燃燒的鍋爐，目前，部分鍋爐側墻出現了水冷壁高溫腐蝕的問題。

3.1.3 水冷壁噴涂質量差

鍋爐檢修期間，對監督檢驗質量把控不嚴，導致產生高溫腐蝕，機組在2016 年10 月#1 鍋爐大修期間，已經發現水冷壁的防護涂層部分脫落，水冷壁燃燒器區域高溫腐蝕嚴重，采取措施，更換高溫腐蝕區域減薄超標的水冷壁管，并對防護涂層脫落部位進行補噴，未對涂層進行深入的分析，造成水冷壁防護涂層大面積脫落，最終產生高溫腐蝕，引發爆管。

3.2 水冷壁高溫腐蝕區橫向裂紋產生的原因分析

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，裂紋由外壁向內壁擴展并充有硫化物類腐蝕產物，具有典型的腐蝕性熱疲勞特征。

3.2.2 橫向裂紋產生的機理

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

金相分析結果顯示，管樣裂紋區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壁擴展的穿晶型裂紋，裂紋內部充滿腐蝕產物，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裂紋，在焊接熱應力的作用下，致使裂紋擴張。從而導致舊管母材側開裂，由于微裂紋與焊縫距離位置的遠-近及微裂紋深度的影響不同，在焊接應力的作用下微裂紋擴展的程度不同。金相組織正常，說明超溫運行的可能性不存在，也從側面證明是由于焊接熱應力的作用導致了熱疲勞開裂。

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展的通道，該通道內硫元素的遷移為裂紋擴展提供動力，故裂紋擴展速率較快。腐蝕性煙氣通過腐蝕促進了橫向裂紋的擴展。具體過程為：煤粉中Fe 的硫化物和管壁外側的H2S 和SO2發生分解化學反應，產生自由態的硫原子。在缺乏氧氣的條件下游離態的硫和硫化物與Fe 反應生成FeS 相比硫的燃燒和三氧化硫的形成更為容易，所以優先反應生成FeS。生成的FeS 進一步發生氧化反應產生Fe3O4，當裂紋中的氧化皮裂開后，腐蝕介質進入裂口重復上一個過程。這個過程不斷循環，促使裂紋加速擴展。由于水冷壁向火面橫向裂紋僅存在于附著物區域，說明裂紋是由于腐蝕和疲勞共同作用的結果。

4 水冷壁橫向裂紋和高溫腐蝕應對措施

（1）加強焊接過程管控，并對焊接過程中導致橫向裂紋擴展嚴重的管子進行重新更換，焊接嚴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力，降低焊接熱應力對高溫腐蝕區水冷壁管的影響，防止原裂紋擴展。

（2）結合機組檢修，加強對高溫腐蝕區水冷壁管的防磨防爆檢查，一經發現橫向裂紋，條件允許時盡可能對其進行更換。

（3）機組深度調峰時，應將升降負荷的頻率控制在合理區域，避免急升急降。在停爐時應采取“悶爐”最大幅度減小溫度下降速率，以減少拉應力對水冷壁管子的損傷。

（4）機組啟爐階段，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。

（5）通過燃燒調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：加強鍋爐燃燒調整，改善貼壁氣氛，避免高溫腐蝕。鍋爐采用主燃燒區過量空氣系數低于1.0 的低氮燃燒技術時，應加強貼壁風氣氛監視，C 級及以上檢修時應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，是軸向交變應力作用下產生的熱疲勞裂紋，腐蝕介質的存在加速了熱疲勞裂紋的擴展。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，腐蝕會在較小應力和較少循環周次時加速疲勞失效，并常引起多條平行裂紋同時擴展，最終會導致水冷壁管沿周向斷裂失效。