水冷壁管內壁大面積氧化皮形成原因分析

摘" 要：該文對某電廠鍋爐水冷壁垂直段、過渡段、螺旋段及灰斗段（材質為12Cr1MoVG和15CrMoG）取樣進行試驗分析，試驗內容包括宏觀形貌檢查、化學成分分析、室溫拉伸試驗、硬度測試、金相組織檢驗和內壁氧化層厚度測量。結果表明，送檢的水冷壁管段化學成分、力學性能均滿足相關標準要求；金相組織均為鐵素體+珠光體，組織未見異常；管子內壁氧化層的最大厚度為80 μm；管子內壁致密氧化層主要為鋼管制造階段最終熱處理因未在還原性氣氛中進行，導致生成嚴重氧化層。

關鍵詞：水冷壁管；12Cr1MoVG；15CrMoG；力學性能；金相組織；氧化層

中圖分類號：TM621.8" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0079-05

Abstract： In this paper， the test analysis is carried out on the vertical section， transition section and spiral section of a boiler water wall made of 12Cr1MoVG and the ash bucket section made of 15CrMoG in a power plant. The tests include macroscopic appearance inspection， analysis of chemical composition， tensile test at room temperature， hardness test， inspection of metallographic structure and measurement of inner wall oxide layer thickness. The results show that the chemical composition and mechanical property of the water wall pipe sections submitted for inspection all meet the requirements of relevant standards; the metallographic structure is ferrite and pearlite， and no abnormal structure is found; The maximum thickness of the oxide layer on the inner wall of the tube is 80 μm; The dense oxide layer formed on the inner wall of the pipe is mainly caused by the fact that the final heat treatment of the steel pipe is not carried out in a reducing atmosphere.

Keywords： the water wall pipe; 12Cr1MoVG; 15CrMoG; mechanical property; the metallographic structure; oxide layer

隨著電力負荷的逐年增長及能源、環保方面要求的逐漸提高，大容量、高參數的超超臨界機組正在國內被越來越多的應用[1]，隨之而來，水冷壁高溫氧化問題日益突出[2]。

氧化皮是鐵在高溫作用下，與水、空氣發生的一種化學腐蝕[3]。氧化皮的產生并堆積容易引起管壁超溫、葉片沖蝕、閥門卡死等問題，嚴重者會發生水冷壁管道爆管，給機組安全運行帶來極大風險[4]。黃興德等[5]研究了鍋爐受熱面氧化皮的形成原因和生長規律，為預測和防止氧化皮危害提供了實現途徑。卞韶帥等[6]對管內有氧化皮的受熱面管道進行失效分析，發現T91鋼有利于降低氧化皮引起管道失效的可能性。殷立寶等[7]對水冷壁大面積氧化皮進行成分分析及數值模擬，發現氧化皮的產生是由向火側水冷壁過熱氧化導致。李萬超等[8]對水冷壁管外壁氧化皮進行成分分析及力學性能檢測，發現高溫下的硫腐蝕是形成外壁氧化皮的主要原因。

現在針對鍋爐受熱面管道中氧化皮的研究較多，但對于水冷壁管內壁氧化皮產生原因的研究相對較少。

1" 鍋爐設備氧化皮脫落分析案例

某電廠鍋爐為660 MW超超臨界壓力一次再熱燃煤機組，其鍋爐為超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，該鍋爐采用單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動調溫、平衡通風、全鋼架懸吊結構、半露天布置、采用濕式刮板除渣系統。鍋爐出口蒸汽壓力和溫度分別為28.25 MPa和605 ℃，鍋爐最大蒸發量為1 972 t/h。爐膛由管子膜式壁組成，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。從爐膛冷灰斗進口集箱標高7 500 mm到標高61 023.9 mm處爐膛四周采用螺旋管圈，在此上方為垂直管圈，垂直管圈分為上、下2部分，下部垂直管圈選用管子規格為Φ35 mm，節距為55 mm；上部垂直管圈由2根垂直管通過一個Y形三通連接合并成一根管構成，管子規格為Φ38 mm，節距為110 mm。

電廠基建過程中，現場檢查發現鍋爐左側過渡段連接垂直段管屏的大部分90°彎頭處氧化皮異物堆積，對管屏敲擊后此異部分掉落但無法全部清除。管道異物堆積、剝落可能造成機組運行后爆管，威脅機組后續的運行，給機組安全穩定運行帶來嚴重危害。

為查明水冷壁內氧化皮產生原因，消除不利影響，提高設備安全性，本文對該鍋爐水冷壁垂直段、過渡段、螺旋段及灰斗段分別取樣并試驗分析。

2" 試驗內容

本文對水冷壁管取了6個管樣，材質為12Cr1MoVG和15CrMoG 2種類型，具體取樣位置見表1，所取6段管樣如圖1所示，試驗方案見表2。

3" 試驗分析

3.1" 宏觀分析

送檢的6根水冷壁管樣的內壁宏觀形貌如圖2所示。1#、5#與6#管段的內壁表面平滑光亮，均附著一層較薄的藍灰色氧化層；2#管段的內壁氧化層較厚且為2層結構，其中外層為紅褐色、內層為藍黑色；3#管段的內壁氧化層較厚且分為2層結構，外層為藍灰色致密狀，內層為紅褐色疏松狀，外層剝落后裸露出紅褐色的內層氧化層；4#管段的內壁呈藍灰色致密氧化層，其中管子的一側內壁附著易剝落的紅色浮銹可能為水壓后管內積水導致。

3.2" 化學成分分析

對送檢的6根水冷壁管段進行化學成分分析，試驗結果見表3。

從表3中可以看到，6根水冷壁管段中元素C、Si、Mn、Cr、Mo、V、P和S含量均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》[9]的相關要求，取樣管的化學成分均未見異常。

3.3" 力學性能檢測

對送檢的6根水冷壁管樣分別沿縱向截取2個拉伸試樣，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：溫室試驗方法》[10]進行室溫拉伸試驗，結果見表4。

從表4中可以看到，6根水冷壁管段的室溫拉伸性能均符合GB/T 5310—2017[9]的相關要求。

3.4" 金相組織分析

對送檢的6根水冷壁管樣分別截取全截面環狀試樣，經砂紙預磨、機械拋光后，采用4%硝酸酒精溶液侵蝕，然后在Olympus GX-51金相顯微鏡下進行顯微組織觀察，金相照片如圖3所示。

由圖3可知，6根水冷壁管段的金相組織均為鐵素體+珠光體/貝氏體，其中3#管段珠光體呈條狀分布，其他管段珠光體呈塊狀，組織均未發現明顯球化跡象。

3.5" 氧化層厚度測量

對送檢的6根水冷壁管樣采用線切割機分別截取全壁厚的弧形試樣，并用標樂鑲樣機鑲嵌試樣以便于觀察內壁氧化層。試樣經砂紙預磨、機械拋光后，采用掃描電鏡對其內壁氧化層進行觀察與測量，結果見表5，掃描照片如圖4所示。

由圖4可知，6根水冷壁管段的內壁均存在不同厚度的氧化層。1#、4#、5#和6#管段的內壁氧化層非常薄、呈不連續狀，其厚度均在30 μm以內；2#管段的內壁氧化層為雙層結構，外層疏松較薄、內層連續且致密，其外層厚度約13 μm、內層厚度約67 μm，2#管段氧化層的總厚度約80 μm，且外層與內層之間、內層與基體之間均存在縫隙，其剝落傾向很大；3#管段的內壁氧化層呈連續分布的雙層結構，外層與內層之間存在孔洞，內層與基體之間結合較致密，外層厚度約30 μm、內層厚度約20 μm，3#管段氧化層的總厚度約50 μm。

同時，金相觀察發現1#、4#、5#和6#管段內壁存在微小缺陷，深度均在40 μm以內，能譜分析知該缺陷內部充滿Fe的氧化物，且缺陷底部較圓鈍。經分析認為該微小缺陷的深度符合GB/T 5310—2017[9]中關于“冷拔（軋）鋼管內外表面直道（含非尖銳芯棒擦傷）允許的深度不大于壁厚的4%且最大為0.2 mm”的規定。

4" 討論分析

2#取樣管為雙層氧化層結構，外層為疏松的紅褐色，厚度約為13 μm，內層為致密的藍褐色，厚度約為67 μm。其中較厚的內層為鋼管制造階段最終熱處理未在還原氣氛中進行，導致內壁發生較嚴重的氧化，生成致密的氧化層，外層疏松的紅褐色氧化皮層，推測為管屏水壓試驗后殘留的水在管子表面生成的腐蝕銹層。

3#取樣管為雙層氧化層結構，外層為藍灰色致密狀，厚度約為30 μm，內層為紅褐色疏松狀，厚度約為20 μm，總厚度50 μm，其中致密的藍灰色的外層氧化層主要為鋼管制造階段最終熱處理因未在還原氣氛中進行，導致生成嚴重氧化層，內層疏松狀的紅褐色氧化層為鋼管酸洗時因時間不足造成的氧化層殘留下來。

5" 結論

送檢的6根水冷壁取樣管段（材質為12Cr1MoVG和15CrMoG）的化學成分、室溫拉伸性能、硬度、非金屬夾雜物含量均滿足GB/T 5310—2017[9]的相關要求，金相組織均為鐵素體+珠光體，組織未見異常。

1#、4#、5#和6#管段的內壁為藍灰色、氧化層較薄，氧化層厚度均在30 μm以內；2#管段的氧化層為雙層結構，外層為疏松的紅褐色、厚度13 μm，內層為致密的藍黑色、厚度67 μm，氧化層總厚度為80 μm；3#管段的氧化層為雙層結構，外層為藍灰色致密狀、厚度30" μm，內層為紅褐色疏松狀、厚度20 μm，總厚度為50 μm。

1#、4#、5#和6#管段內壁局部存在微小缺陷，缺陷深度均在40 μm以內，且缺陷底部較圓鈍，符合GB/T 5310—2017[9]對冷軋鋼管表面質量的要求。

管子內壁致密氧化層主要為鋼管制造階段最終熱處理因未在還原性氣氛中進行，導致生成嚴重氧化層。

參考文獻：

[1] 宋之平.從超臨界化淺談優化我國火電結構的發展模式[J].現代電力，2002，19（1）：1-7.

[2] 馬春江，丁勇能，郭可偉.熱應力腐蝕性疲勞裂紋引起的水冷壁管爆泄[J].安徽電氣工程職業技術學院學報，2008（3）：45-48.

[3] 張翠伶，王海歐.氧化皮形成原因分析及對策[J].華北電力技術，2007（S2）：196-202.

[4] 張志遠，丁青明.660MW超臨界鍋爐氧化皮防治介紹[J].鍋爐技術，2011，42（3）：63-66.

[5] 黃興德，周新雅，游喆，等.超（超）臨界鍋爐高溫受熱面蒸汽氧化皮的生長與剝落特性[J].動力工程，2009，29（6）：602-608.

[6] 卞韶帥，黃新.鍋爐高溫受熱面管內氧化皮應力分析的一種解析方法[J].鍋爐技術，2014，45（1）：62-67.

[7] 殷立寶，馬侖，張成，等.超臨界對沖燃燒鍋爐水冷壁向火側起皮成因分析[J].動力工程學報，2015，35（4）：257-262，269.

[8] 李萬超，孫嘉欣，徐航，等.水冷壁管外壁大面積氧化皮形成原因分析[J].鍋爐制造，2021（1）：25-27.

[9] 高壓鍋爐用無縫鋼管：GB/T 5310—2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

[10] 金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法：GB/T 228.1—2010[S].北京：國家質量監督檢驗檢疫總局， 2010.