某200 MW燃煤電廠鍋爐水冷壁管泄漏原因

趙林松, 馬芹征, 趙朋飛, 劉獻良

(蘇州熱工研究院有限公司, 蘇州 215004)

某200 MW燃煤電廠鍋爐型號為HG-670/140-6，額定蒸發量為670 t/h，于1984年9月投產。鍋爐的主要參數包括：過熱蒸汽溫度540 ℃；過熱蒸汽壓力13.73 MPa；再熱蒸汽進出口溫度分別為323 ℃和540 ℃，再熱蒸汽進出口壓力分別為2.6 MPa和2.4 MPa，汽包工作壓力15.69 MPa，給水溫度240 ℃。該機組水冷壁管的材料為Q245R鋼，規格為φ60 mm×6 mm，在2020年10月的A級檢修水壓試驗過程中發生泄漏，截至取樣時，該水冷壁管累計運行約2.3×105h。

為了分析水冷壁管的泄漏原因，保障鍋爐安全、穩定運行，筆者對該泄漏管進行了一系列檢驗與分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

水冷壁管泄漏位置在向火面，泄漏處管子內壁存在明顯的腐蝕產物堆積現象，如圖1a)所示。經滲透探傷發現，管子外壁有長度約為5 mm的軸向裂紋，如圖1b)所示。在泄漏處截取環形試樣，通過宏觀觀察發現，泄漏處管子內壁厚度明顯減薄，該處剩余壁厚約為2.0 mm，未減薄處管子壁厚約為6.0 mm，減薄率達66.7%，裂紋由管子內壁貫穿至外壁，如圖1c)所示。

圖1 水冷壁管泄漏處內、外壁的宏觀形貌

1.2 拉伸試驗

依據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，在泄漏水冷壁管向火面和背火面位置分別截取室溫拉伸弧形試樣，采用島津AG-IC型萬能材料試驗機進行室溫拉伸試驗。如表1所示，管子向火面和背火面的室溫拉伸性能均符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準對Q245R鋼的技術要求，管子向火面的抗拉強度和屈服強度略低于管子背火面的。

表1 泄漏水冷壁管的拉伸性能

1.3 掃描電鏡及能譜分析

采用捷克VEGA TS 5136XM/Integrated型分析型掃描電鏡(SEM)及一體化能譜電子背散射衍射微觀分析系統，對水冷壁管泄漏處內壁和裂紋邊緣的腐蝕產物層進行能譜分析，結果見表2和圖2。可知腐蝕產物層主要為鐵和銅及其氧化物，還存在微量的硫元素。

圖2 水冷壁管泄漏處內壁和裂紋邊緣的腐蝕產物層的能譜分析位置和結果

表2 冷壁管泄漏處內壁和裂紋邊緣的腐蝕產物層的能譜分析結果

1.4 金相檢驗

在水冷壁管外壁基體及裂紋處截取環形試樣，切割及磨拋過程均采用循環冷卻水系統，以避免試樣加工過熱導致組織變化。采用ZEISS Axiovert 200MA型金相顯微鏡對試樣的顯微組織進行觀察。

由圖3可知：水冷壁管基體組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為8級，珠光體呈聚集狀態，未見明顯球化，組織正常；管子泄漏處主裂紋由內壁腐蝕坑底部向外壁延伸，主裂紋附近存在大量微裂紋，主裂紋及微裂紋均呈現典型的沿晶擴展的形貌特征，裂紋邊緣有腐蝕產物；裂紋尖端處珠光體脫碳現象明顯。

圖3 水冷壁管外壁基體及裂紋處的顯微組織

2 分析與討論

該水冷壁管泄漏位置在向火面。一般情況下，水冷壁管向火面的運行溫度高于背火面的運行溫度。拉伸試驗結果表明，管子向火面的抗拉強度和屈服強度略低于背火面的，這說明該水冷壁管向火面所處的環境溫度長期高于背火面的溫度。有研究表明，水冷壁管的溫度越高，其內壁沉積物種類越多，腐蝕速率越快，鹽類沉積和內壁腐蝕就越嚴重[1]。內壁沉積物主要是由給水管路帶來或停爐時形成含有氧化鐵及氧化銅的水渣。當水渣在較高溫度的水冷壁管向火面內壁處沉積時，會發生如式(1)和(2)的反應。

4Fe2O3+Fe→3Fe3O4

(1)

4CuO+3Fe→Fe3O4+4Cu

(2)

上述反應以電化學方式進行，沉積的水渣為陰極，管壁金屬作為陽極不斷被腐蝕.當給水中有氧元素時，氧在陰極起去極化作用，促進管壁金屬的腐蝕[2]。

鹽類沉積物形成結垢后會造成傳熱不良，進一步使管壁溫度升高。當管壁溫度升高至400℃以上時，碳鋼水冷壁管蒸汽側會發生如式(3)的反應[3]。

3Fe +4H2O→Fe3O4+8[H]

(3)

當生成的氫原子不能較快地被氣流帶走時，氫原子就會進入管子基體，在高溫下引起金屬組織發生變化，使管子表面發生脫碳并出現裂紋，造成氫腐蝕。氫與碳鋼中的碳發生的反應如式(4)～(6)所示。

C+4[H]→CH4↑

(4)

C+2H2→CH4↑

(5)

Fe3C+2H2→3Fe+CH4↑

(6)

上述反應單方向地向生成甲烷的方向進行，甲烷體積較大，不能溶于鋼中或向外擴散，易在縫隙處積聚。縫隙中的甲烷分子含量達到一定程度時，將會產生高達數千兆帕的局部高壓，使縫隙處承受很大的應力[2]。靠近管子表面的縫隙會形成鼓泡，管子內部的縫隙則會形成裂紋，嚴重降低管子的力學性能，最終使管子在運行中泄漏或爆裂。

綜上所述，要減少類似的水冷壁管泄漏問題，關鍵在于保證鍋爐水的質量和控制結垢生成。鍋爐運行時，應按照DL/T 438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》標準要求，嚴格控制鍋爐水質、檢查凝汽器嚴密性[4]，按規定定期對水冷壁管內壁進行清洗，除去水冷壁管內壁的附著物。提高無損檢測和壁厚檢測頻率，并在泄漏點附近利用頻率為5 MHz的小尺寸晶片橫波超聲波探頭檢測鍋爐水冷壁管內壁的腐蝕狀況，當發現水冷壁管存在宏觀裂紋、鼓包、泄漏、減薄等情況時，應及時更換相應管段[5]。

3 結論及建議

(1) 該水冷壁管泄漏的主要原因是鍋爐水品質較差、停爐保護不到位、管子傳熱不良等造成富含氧化鐵及氧化銅的水渣在水冷壁管受熱面內壁產生沉積，形成垢下氫腐蝕，造成管子強度降低，最終導致管子泄漏。

(2) 建議加強熱力除氧器的運行管理，保證除氧效率，嚴格控制水中除氧劑聯氨的過剩量，以防止氧腐蝕，定期檢測給水中鐵和凝結水中銅的含量，及時清洗水冷壁管內壁附著物。