某電廠鍋爐水冷壁鋼管泄漏原因分析

梁慧超 王 碩 郝維勛

（1.黑龍江省江河流域保護中心 哈爾濱 150046)

（2.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 哈爾濱 150046)

電站鍋爐的水冷壁,是布置在爐膛四周的、以水或汽水混合物為管內介質的受熱面,主要作用是吸收爐膛內火焰燃燒產生的熱量,并保護爐墻。水冷壁的吸熱,主要通過輻射方式進行[1]。水冷壁在鍋爐“四管”中的溫度相對較低,所用材質等級也相對較低,一般以碳鋼和低合金鋼為主,耐蝕性能較差,在一般的腐蝕環境下即會發生不同程度的腐蝕[2]。SA-210M Gr.C是一種鍋爐和過熱器用碳錳鋼,屬珠光體型熱強鋼[3],在工作溫度低于500 ℃的鍋爐水冷壁、省煤器等部件上得到了大量的應用。水冷壁運行環境苛刻,最常見的失效方式是高溫腐蝕失效,包括硫腐蝕、氫損傷、垢下腐蝕等等[4]。

某電廠亞臨界機組燃氣鍋爐,鍋爐功率為80 MW,通過水壓試驗和168 h 試運行后,于2022 年4 月開始正常運行,持續運行11 個月后,進行停爐檢修。檢修完成后開展水壓試驗對鍋爐的密封性進行試驗,期間發現水冷壁鋼管泄漏,泄漏位置在爐膛左側水冷壁上部的向火面,泄漏管子的宏觀形貌見圖1。發生泄漏的位置距離工地焊口處約200 mm,鋼管為SA-210M Gr.C 材質的內螺紋管,公稱規格φ38 mm×4.5 mm,設計運行壁溫約410 ℃。本文通過對發生泄漏鋼管的宏觀形貌觀察、化學成分分析、力學性能檢測、金相組織觀察和掃描電鏡分析等,查找確認導致鋼管發生泄漏的原因。

圖1 發生泄漏鋼管宏觀形貌

1 宏觀分析

發生泄漏的水冷壁內螺紋管的宏觀形貌見圖1,鋼管外表面裂紋總長度約10 mm,裂紋沿鋼管縱向延伸。鋼管整體平直,未發現明顯的脹粗、彎折、磨損等變形損傷,外表面有浮銹,無明顯積灰或結焦現象。從樣管的宏觀形貌分析,縱向裂紋的存在是導致發生泄漏的直接原因。將鋼管沿縱向剖開,對內壁形貌進行觀察,見圖2,泄漏處鋼管內壁被黑色的腐蝕產物覆蓋,腐蝕產物較致密,且附著比較牢固,腐蝕產物表面形狀不規則,并有少量紅褐色腐蝕產物。

圖2 發生泄漏鋼管內壁宏觀形貌

2 化學成分分析

在鋼管泄漏位置附近截取試樣,進行化學成分分析。化學成分分析參照ASTM A751—2021《鋼制品化學分析標準試驗方法和規程》標準[5]執行,分析所用設備為德國斯派克公司生產的M8 型光電直讀式光譜儀,化學分析結果見表1。結果表明,鋼管的化學成分符合ASME SA-210M—2021《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管子》的要求,且化學成分不存在測量值接近標準要求限制的情況。

表1 化學成分質量分數，%

3 力學性能檢驗

由于鋼管的長度限制,不便于加工拉伸試樣,因此在裂紋附近取樣進行硬度檢測。硬度檢測所用設備為TH-300 型洛氏硬度計,硬度檢測參照ASME SA-370—2019《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》標準[6]執行。硬度檢測結果見表2。鋼管的力學性能（硬度值）符合ASME SA-210M—2021 的要求。

表2 硬度值 HRB

4 金相檢驗

在鋼管裂紋處沿鋼管橫向取金相試樣,并經過磨制、拋光后,使用4%的硝酸酒精對試樣橫截面進行浸蝕,采用Axiovert 200 Mat 光學顯微鏡對試樣的顯微組織進行觀察。鋼管裂紋處橫截面宏觀形貌見圖3,裂紋附近內壁發生嚴重腐蝕,腐蝕產物呈黑色、致密、堅硬,腐蝕導致鋼管實際有效壁厚大幅度減薄,剩余有效壁厚僅為公稱壁厚的1/3 左右。裂紋在腐蝕產物的集中位置產生,鋼管內壁腐蝕是導致裂紋產生的直接原因。

圖3 鋼管裂紋處橫截面宏觀形貌

對鋼管橫截面裂紋附近及遠離裂紋處的金相組織進行觀察,見圖4 和圖5。鋼管不同位置的金相組織均為鐵素體+珠光體,晶粒度較細,平均晶粒度9 級。裂紋附近的金相組織,以鐵素體為主,珠光體含量較少,存在較嚴重的脫碳現象,且除裂紋位置外,基體的金相組織中也能觀察到多道微小的裂紋；遠離裂紋處的金相組織為SA-210M Gr.C 材料的正常組織,帶狀組織不明顯,不會影響材料的性能。

圖4 鋼管裂紋處橫截面金相組織

圖5 鋼管遠離裂紋處橫截面金相組織

5 掃描電鏡觀察

為確定腐蝕產物的成分、查找產生腐蝕的原因,對磨制、拋光后的橫截面金相試樣進行掃描電鏡觀察和能譜分析,所用設備為Apollo 300 型熱場發射掃描電子顯微鏡和布魯克Quantax 30 能譜儀。腐蝕產物的能譜分析結果見圖6。從能譜照片中可以看出,腐蝕產物較致密,且存在不規則的分層現象,層間多連接較緊密。根據能譜分析的結果,腐蝕產物主要為Fe 的氧化物,未發現明顯的S、Cl 等相關的腐蝕產物。

圖6 腐蝕產物能譜分析結果

6 試驗結果分析

通過對鋼管的宏觀觀察分析,鋼管外表面裂紋總長度約10 mm,裂紋沿鋼管的縱向擴展,裂紋寬度不足1 mm。從鋼管的外表面宏觀形貌觀察,鋼管整體平直,未發現明顯的脹粗、彎折、磨損等變形損傷,外表面有浮銹,無明顯積灰或結焦現象,說明鋼管在生產、制造、運輸、安裝以及運行等過程中,未造成鋼管明顯的機械損傷。鋼管未受到明顯機械損傷而發生泄漏,且裂紋沒有呈現向外擴張的喇叭狀,說明短時或長時超溫不是造成鋼管泄漏的直接原因。將鋼管沿縱向剖開后觀察內壁形貌發現,裂紋附近鋼管內壁存在大量的黑色腐蝕產物,并有少量紅褐色腐蝕產物存在。黑色腐蝕產物較致密,且附著比較牢固,腐蝕產物表面形狀不規則,說明鋼管內壁的腐蝕可能是導致鋼管泄漏的直接原因。

通過檢測,鋼管的化學成分和力學性能（硬度）符合ASME SA-210M—2021 的要求,遠離裂紋處的金相組織為鐵素體+珠光體,晶粒度9 級,屬于SA-210M Gr.C 材質的典型金相組織,說明用于制造水冷壁的鋼管性能能夠滿足要求。裂紋附近的金相組織雖然是鐵素體+珠光體組織,但珠光體含量極少,發生了明顯的脫碳現象。SA-210M Gr.C 鋼管發生脫碳后,隨著珠光體數量的減少,鋼管的強度也會隨之降低。脫碳導致的鋼管強度降低,可能是誘發裂紋并導致鋼管泄漏的原因之一。

觀察鋼管橫截面宏觀形貌發現,裂紋附近內壁大量的黑色致密腐蝕產物,已導致壁厚減薄至公稱壁厚的1/3 左右。根據能譜分析結果,腐蝕產物主要是Fe的氧化物。結合裂紋附近的金相組織觀察結果,腐蝕結垢導致壁厚減薄,顯微組織出現明顯的脫碳現象,且存在多個細小的微裂紋,該腐蝕現象和形貌特征符合垢下腐蝕中酸性腐蝕的特征,即當鍋爐中的介質pH值較低時,爐水中的H+會與鋼管內壁鈍化膜發生反應并消耗鈍化膜,同時在運行壓力的作用下,氫會向鋼材基體內部擴散,并與鐵碳化合物發生反應,生成甲烷（CH4）和鐵素體,導致鋼材脫碳和強度降低[7]。由于CH4分子較大,在鋼材內部擴散困難,會在晶界上聚集,當壓力足夠大時,就會產生微裂紋。垢下腐蝕導致鋼管壁厚減薄,鋼管內介質中的氫在壓力作用下向基體內擴散并與鐵碳化合物發生反應導致脫碳的同時,生成的CH4聚集產生微裂紋,在壁厚減薄、發生脫碳強度降低和微裂紋的共同作用下,鋼管最終發生泄漏。

7 結論

1) 該水冷壁鋼管的化學成分和力學性能（硬度）符合標準要求,金相組織和晶粒度屬于SA-210M Gr.C 材質的典型金相組織。

2) 該水冷壁鋼管發生泄漏的直接原因是鋼管減薄、脫碳并產生微裂紋,最終在運行壓力作用下發生泄漏。

3）該水冷壁鋼管發生泄漏的根本原因是鍋爐用水中的pH 值過低,導致運行過程中發生了垢下腐蝕中的酸性腐蝕。

4）根據酸性垢下腐蝕的形成機理,后續應對鍋爐用水的品質進行控制,避免pH 值過低的現象發生,同時應定期進行腐蝕情況檢查。