電站鍋爐水冷壁管的泄漏原因及應對措施

諶 康，蔡文河，杜雙明，董樹青，高大偉，楊志博，李旌鑫

(1. 中國大唐集團科學技術研究院有限公司火力發電技術研究院，北京 100040； 2. 鋼鐵研究總院特殊鋼研究所，北京 100081)

四管泄漏是造成電站非停的最普遍、最常見的形式，占機組非停事故的50%以上[1-2]。四管泄漏的高爆發率嚴重影響了機組的安全性和經濟性[3-4]，因此備受電廠重視。水冷壁管是鍋爐最為關鍵的受熱部分，針對水冷壁管的失效問題，國內外進行了長期深入的研究，水冷壁管不僅會在煙氣側發生腐蝕[5]，也會在水汽側發生腐蝕。腐蝕是不斷累積且不可逆的，隨著機組運行時間的延長，如果不對鍋爐水冷壁管的腐蝕問題進行有效監督和干預，水冷壁管的腐蝕失效概率會逐漸增加[1]。

某火電廠600 MW機組亞臨界鍋爐，型號為030/17.5-YM9，采用一次中間再熱、平衡通風、直流式四角切圓燃燒方式，額定蒸發量為1 762 t/h。爐膛水冷壁管采用螺栓上升膜式內螺紋管，為光管加扁鋼的焊接形式。隨著運行時間的增長，近期水冷壁管在運行過程中數次發生泄漏，給機組安全運行帶來嚴重隱患。本工作對水冷壁管的泄漏原因進行分析，并針對水冷壁管內壁的腐蝕失效情況，找出腐蝕原因和失效機理，并提出相應的處理改進措施，以確保機組安全穩定運行，同時為同類型鍋爐的防護提供借鑒。

1 試驗

泄漏水冷壁管為前水中心線右數第八根，泄漏處為管壁出現橫向裂紋的位置，標高約為47 m，漏點上方因泄漏后過熱發生爆管。泄漏水冷壁管尺寸為φ51 mm×5.6 mm，螺旋管圈型水冷壁管，材質為20鋼，運行時間約為9.7萬 h。如圖1所示，泄漏管外壁存在輕微結焦，未發生明顯塑性變形和脹粗，泄漏處橫向裂紋長度較短，約為10 mm，該管外壁5處橫向裂紋均位于向火側中部，如圖中標記所示。

(a) 裂紋形貌1

將圖1中樣管縱向剖開后,可見管內壁存在垢層，垢層呈黑灰色。在同一位置，內壁裂紋與外壁幾處橫向裂紋均貫通，如圖2所示。

圖2 失效管段向火側的內壁形貌

使用2.5%(體積分數)鹽酸水溶液對內壁垢層超聲清洗10 min，清除垢層后，在向火側內壁中部發現大量枝狀裂紋，裂紋主要集中在螺紋臺階附近區域，在螺紋突變位置更為嚴重。而背火側內壁未發現目視可見裂紋，只存在局部點蝕坑，且螺紋臺階附近蝕坑相對密集，如圖3所示。

(a) 向火側

如圖4所示:失效管段向火側、背火側管壁均未見明顯減薄。向火側中部位置內壁觀察到腐蝕，由管內壁向外壁擴展，其深度已達到50%壁厚，且腐蝕已發生橫向面積型擴展，見圖中標記。

圖4 失效管段橫截面的宏觀形貌

采用牛津FOUNDRY-MASTER PRO型全譜直讀光譜儀對失效管樣進行化學成分分析，見表1。可以看出，失效管樣的化學成分符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。

表1 失效管的化學成分

采用SHB-3000E布氏硬度計對失效管樣的布氏硬度進行檢測，結果見表2，可見其布氏硬度符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》要求。

表2 失效管的布氏硬度

采用蔡司Axio Observer金相顯微鏡對失效管樣的顯微組織進行分析，如圖5所示，管樣向火側、背火側的顯微組織均為鐵素體+珠光體，參考DL/T 674-1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》，珠光體球化2級，為輕度球化，對于運行近10萬 h的水冷壁管，組織老化程度相對正常，向火側、背火側組織無明顯差異。

(a) 向火側

如圖6所示:失效管樣向火側與背火側內壁均有不同程度的腐蝕坑，大部分腐蝕坑呈袋狀，向火側袋狀蝕坑密度更大，腐蝕現象相對嚴重。向火側部分腐蝕坑向外壁呈穿晶型式擴展開裂，開裂深度達數毫米，而背火側未發現擴展趨勢，僅部分相鄰腐蝕坑貫穿連通。

(a) 向火側

采用配備能譜儀(EDS) 的Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡(SEM)對失效管樣內壁垢層進行SEM觀察和能譜分析，如圖7所示，內壁垢層主要為含Fe的氧化物，并含有較高含量的Cu元素。

(a) SEM形貌

圖8為袋狀腐蝕坑的SEM形貌，對圖8中腐蝕

圖8 腐蝕坑SEM形貌

坑的兩處位置進行了能譜分析，由圖9可見，腐蝕坑主要為含Fe的氧化物，腐蝕坑內部存在含P、Zn、Ca等的Fe的氧化物。

(a) 能譜1

如圖10所示:向火側腐蝕坑處發生擴展開裂，對裂紋進行能譜分析，裂紋主要為Fe的氧化物。

(a) SEM形貌

2 結果與討論

失效管樣的顯微組織為鐵素體+珠光體，向火側、背火側珠光體球化均為2級，輕度球化，向火側、背火側組織無明顯差異。對于運行近10萬 h的水冷壁管，組織未明顯劣化，且未見冶金和制造缺陷，由此可見，管道泄漏并非原材料質量及超溫運行導致的。

失效管內壁存在垢層，垢層呈黑灰色，主要為Fe的氧化物，且含有大量Cu元素，這可能與凝汽器銅管發生腐蝕有關。Cu元素在水冷壁管內壁上沉積，會對水冷壁管內壁的保護膜產生破壞作用，導致電化學腐蝕[6-7]。內壁向火側、背火側均有不同程度的袋狀腐蝕坑，腐蝕坑主要為含Fe的氧化物，在腐蝕坑內部存在含有P、Zn、Ca等元素的Fe的氧化物。P元素的存在，說明爐水通過加入磷酸鹽進行處理。用磷酸鹽處理爐水，不僅不能消除氧化垢的形成，相反會促進Fe、Zn、Ca 、Cu等金屬離子在內壁的沉積，從而加劇對管壁的腐蝕[8]。

由于內壁的氧化垢層熱阻較大，熱量不能迅速從金屬管壁傳遞到爐水中，使得管壁溫度升高，另外氧化鐵垢和螺旋臺階阻礙了爐水的流通，使得介質富集，導致水冷壁管爐水在氧化鐵垢下方和螺旋的縫隙內局部濃縮，從而使該處溶解氧和介質濃度急劇增加，當達到一定濃度后，水冷壁管的局部產生電化學腐蝕[9]。

陰極反應為：

(1)

陽極反應為：

(2)

隨著電化學腐蝕的進行，縫隙內產生的腐蝕物難以擴散出去，導致縫隙內的介質濃度進一步增大，造成縫隙內介質在濃度、pH和組成等方面和整體產生很大的差異，引起縫隙內金屬加速腐蝕。水冷壁管螺旋的先決條件，導致了介質更容易在螺旋臺階處富集，向火側、背火側管壁的蝕坑都是在螺旋臺階附近相對密集。當OH-和Fe2+濃度增大到一定值時，便會發生以下反應：

(3)

由于陰極反應的發生，腐蝕區的氧含量降低，這時，外界的氧就會通過擴散源源不斷進入腐蝕區，Fe(OH)2會部分被氧化，發生以下反應：

(4)

由于Fe(OH)3的酸性強于Fe(OH)2,故發生中和反應：

(5)

介質濃縮腐蝕的產物主要是Fe3O4，在腐蝕產物中含有爐水中的P、Zn、Ca、Cu等元素。同時少量的Fe(OH)3脫水形成Fe2O3，而生成的Fe3O4垢層隨著厚度的逐漸增加，在熱負荷的波動和內壁蒸汽周期性沖刷下，會逐漸形成裂紋直至破裂，此時氧就會通過裂紋或破裂處進入繼續與水冷壁管基體發生反應, 生成的產物體積膨脹迫使外層的氧化物和水垢脫落，水冷壁管可以進一步腐蝕，從而使腐蝕區域擴大。

由于腐蝕不可逆性和累積性的特點，隨著機組運行時間的延長，水冷壁管腐蝕損傷程度逐漸增加。根據宏觀及微觀觀察結果，向火側袋狀蝕坑密度更大，腐蝕現象相對嚴重，這主要是因為：(1) 水冷壁管兩側(向火側、背火側)溫度的不同會引起兩側爐水的濃縮程度不同，向火側爐水濃縮程度高，而背火側反應物濃度小，導致向火側和背火側形成濃度梯度，發生濃差電池反應，而向火側又在濃差電池中作為陽極，加速了腐蝕進程；(2) 向火側溫度較高，使得向火側水溶液的電導率增大，這使腐蝕過程的電流加大，這向火側腐蝕相對嚴重；(3) 向火側和背火側存在較大溫差，導致兩側電極電位不同，形成附加的電化學反應。背火側電極電位高，作為陰極，在發生電化學反應時，受到保護。

顯微組織觀察發現，向火側腐蝕坑處存在裂紋向外壁擴展的現象，呈穿晶式擴展，而背火側未發現擴展趨勢。人工打斷掰開一處向火側中部裂紋，如圖11所示，該斷口裂紋由內壁腐蝕坑處起裂，呈放射狀向外壁擴展，具備典型的疲勞斷裂特征，進一步驗證裂紋從內壁腐蝕坑處起裂，逐漸向外壁疲勞擴展。向火側管壁承受較大的交變熱應力，在熱疲勞載荷作用下，在內壁腐蝕缺陷處起裂擴展，經過長時間高溫服役，裂紋擴展基本貫穿水冷壁管，即將形成水冷壁管的外壁橫向裂紋。裂紋表面存在較厚的氧化垢層，裂紋部位存在較長時間的氧化腐蝕，同時也說明該裂紋的形成和擴展經過疲勞和氧化腐蝕的共同作用，疲勞裂紋的擴展進一步加劇介質的局部富集，促進氧化腐蝕的進行，二者互相促進。

圖11 向火側中部人工斷口SEM形貌

隨著我國新能源的迅猛發展，對調峰電源的需求逐年升高，火電機組由于調峰性好，深度調峰成為常態。在深度調峰形式下，機組頻繁啟停、長期低負荷工作，快速升降負荷。鍋爐在啟停爐以及負荷快速變化期間，水冷壁管向火側壁溫發生大幅度波動，易形成熱沖擊，使向火側管壁承受較大的交變熱應力，隨著循環次數的逐漸累計，在向火側腐蝕坑處(薄弱處)產生熱疲勞裂紋[10-11]。與背火側相比，向火側腐蝕更為嚴重，向火側管壁承受較大的交變熱應力，腐蝕與熱疲勞的交互作用使得裂紋更容易在向火側中部起裂擴展，這也是樣管泄漏位置全部位于向火側的原因。

3 處理措施

腐蝕和疲勞都是累積損傷過程，應對爐內水冷壁管整體進行安全評估，對運行環境相對惡劣的部位重點關注。根據評估結果，對損傷程度較大的水冷壁管予以更換。水冷壁管造成泄漏是內壁腐蝕和交變熱應力共同作用的結果，應從控制水冷壁管的腐蝕和熱疲勞兩方面加以改進。

(1) 應及時對鍋爐進行化學清洗，除去水冷壁管內附著的氧化垢層，在管內壁形成鈍化膜，制止腐蝕的進一步發展。

(2) 加強化學監督，保證爐水品質，尤其要控制溶解氧，保證鍋爐連續排污和定期排污的正常運行。定期監測給水中鐵和凝結水中銅的含量，有助于判斷水冷壁管積垢及腐蝕情況。

(3) 按照運行規程控制鍋爐起停速率，控制機組變負荷時的速率，減少機組起停次數，降低鍋爐啟停和調峰工況下產生的熱應力。

4 結論

(1) 失效管樣的顯微組織為鐵素體+珠光體，向火側、背火側珠光體球化均為2級，輕度球化。管壁向火側、背火側組織無明顯差異。對于運行近10萬 h的水冷壁管，組織未明顯劣化，且未見冶金和制造缺陷，即泄漏并非原材料質量及超溫運行導致的。

(2) 失效管樣內壁存在垢層，爐水在氧化鐵垢下方和螺旋的縫隙內局部濃縮，從而使該處溶解氧和介質濃度急劇增加，當達到一定濃度后，水冷壁管局部會發生電化學腐蝕。

(3) 受較大交變熱應力的影響，水冷壁管在熱疲勞載荷作用下，在內壁腐蝕缺陷處起裂擴展，裂紋經過疲勞和腐蝕的共同作用，最終導致泄漏。

(4) 與背火側相比，向火側腐蝕更為嚴重，向火側管壁承受較大的交變熱應力，腐蝕與熱疲勞的交互作用使得裂紋更容易在向火側中部起裂擴展，這是樣管泄漏位置全部位于向火側的主要原因。