循環流化床鍋爐水冷壁管的腐蝕失效分析

薛東劍周振華成 波張國祥

（1.寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315048）

（2.余姚市市場監督管理局 余姚 315400）

循環流化床鍋爐水冷壁管的腐蝕失效分析

薛東劍1周振華1成 波2張國祥1

（1.寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315048）

（2.余姚市市場監督管理局 余姚 315400）

針對某高壓循環流化床鍋爐水冷壁管底部彎管處爆管原因進行失效分析，通過對爆管管段進行宏觀檢查、化學成分分析、力學性能分析、腐蝕產物分析、金相分析以及運行期間水質化驗記錄調查，表明鍋爐水質pH偏高時在密相區彎管處向火側內壁發生堿濃縮引起堿腐蝕，彎管處存在的殘余應力在強堿性環境下引起堿應力腐蝕，兩者共同作用導致了本次爆管的發生。加強水質監控和消應力處理可有效防止堿腐蝕和堿應力腐蝕。

循環流化床鍋爐 水冷壁 堿腐蝕 堿應力腐蝕 失效分析

1 概況

據統計，水冷壁事故占到循環流化床鍋爐事故的80%。針對循環流化床水冷壁管失效問題，國內外技術研究人員做了大量的工作，并且取得了一定的成果，但是鍋爐水冷壁管的爆漏事故仍時有發生。循環流化床水冷壁管的失效形式多種多樣，常見的有磨損、短時過熱、氧腐蝕、堿腐蝕等，而堿腐蝕和堿應力腐蝕共同作用導致的爆管停爐事故還比較罕見［1-4］。

近期，寧波某熱電有限公司YG-220/9.8-M3型高壓循環流化床鍋爐發生水冷壁管爆管事故，事故發生時爐膛負壓從-88Pa突升至2000Pa，一次風量從8.3 萬m3/h降至2.5萬m3/h，二次風量基本不變，引風機電流從35A降至22A，水位從0mm突降至-200mm，MF動作，主汽壓力迅速下降，就地檢查給煤機發現給煤機不是煙氣反竄而是冒蒸汽，同時發現本體也在冒蒸汽1#爐床溫突然又驟降，從700℃一直跌到100℃左右，水位也迅速下降。該鍋爐水冷壁管的材質為20G鋼，規格為φ60mm×5.0mm，為找到爆管原因，提出對應的解決方案，以避免同類事故的再次發生，有必要對其進行失效分析。

2 失效分析

2.1 失效管宏觀形貌觀察與分析

爆管水冷壁位于鍋爐衛燃帶上方彎管（圖1右起第4～7根）起彎處的向火側內表面，觀察從水冷壁爆管管段割下的樣管，可看到管段內側存在很多明顯的腐蝕凹坑，整片分布，深淺不一，最深可達2.5mm，表面有少許紅褐色的腐蝕產物，靠近金屬基體的部位呈現黑色，端口尖銳呈撕裂狀并具有長度約5cm裂紋存在（圖2、圖3）。背火側則未見明顯異常。

圖1 水冷壁管修復后概貌

圖2 水冷壁管爆管圖

圖3 水冷壁管向火側內壁圖

圖4 水冷壁管背火側內壁圖

2.2 水冷壁管金相分析

從水冷壁爆管管段割下的樣管，對其向火側和背火側分別進行金相顯微組織分析，金相檢驗采用機械拋光，浸蝕液為4%硝酸酒精溶液，放大倍數200倍。圖5為水冷壁管向火側材料的顯微組織圖，組織形態為鐵素體加珠光體，珠光體球化級別3.5級，趨向于中度球化，顯微晶粒度為8級。圖6為水冷壁管背火側的顯微組織圖，組織形態為鐵素體加珠光體，珠光體球化級別2.5級，顯微晶粒度為8級。說明水冷壁管向火側表面存在局部過熱情況。

圖5 水冷壁管向火側內壁圖（x200）

圖6 水冷壁管背火側內壁圖（x200）

2.3 水冷壁管材質分析

從水冷壁管爆管時割下的樣管制取分析化學成分試件，對其化學成分進行分析，結果見表1。可見，水冷壁管化學成分均符合國家標準GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》的技術要求。

表1 化學成分分析結果

2.4 力學性能分析

從水冷壁爆管管段取樣制成力學性能分析試件，試驗結果見表2。由試驗結果可知，試樣力學性能指標符合標準要求。沖擊實驗試樣尺寸為55mm×10mm×2.5mm。

表2 力學性能試驗結果

2.5 垢樣分析

采用刮垢法測定爆破口周圍沉積物量平均值為578g/m2。對腐蝕產物用X射線衍射儀分析，腐蝕產物主要為四氧化三鐵（Fe3O4），并有少量的三氧化二鐵（Fe2O3），與外觀觀察時表面有少許紅褐色的腐蝕產物（Fe2O3），靠近金屬基體的部位呈現黑色（Fe3O4）。

2.6 爐水水質調查分析

GB/T 12145—2008《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》標準規定給水pH應在9.2～9.6之間，查閱該鍋爐最近一個月爐水水質監測記錄中，給水pH值超過上限值9.6的天數為19天。

圖7 鍋爐水質監測記錄表

3 失效原因分析判斷

從水冷壁管爆破部位的宏觀檢查、金相檢驗、力學性能分析及垢樣檢測結果判斷，本次水冷壁管失效是堿腐蝕與堿應力腐蝕共同作用的結果。1）水冷壁向火側內壁分布有很多腐蝕坑，最深達2.5mm，具有典型的腐蝕失效特點。2）腐蝕發生在向火側內壁，腐蝕坑為鑿槽型，靠近金屬基體的部位呈現黑色，腐蝕產物為層狀，主要是Fe3O4，這些腐蝕特征和水質特征符合堿腐蝕的特征［1，7］。3）金相檢驗表明腐蝕坑下金屬的金相組織無脫碳現象， 排除氫脆的可能性。爆管處附近組織趨向于珠光體球化，說明運行過程中在水冷壁管彎頭處存在局部過熱現象。4）與單純的堿腐蝕無腐蝕裂紋相比，此次事故爆管內壁有多處裂紋存在，結合爆破發生在衛燃帶上方彎管處存在殘余應力，符合堿應力腐蝕的特點［1，6-7］。5）對水冷壁管向火側腐蝕坑附近基體化學成分進行分析，結果均符合國家標準GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中有關20G鋼材質的技術要求，說明管材基體材質無產生腐蝕坑的內部因素。

4 結論

1）高堿性水質環境下出現的局部堿濃縮是堿腐蝕和堿應力腐蝕發生的主要原因。

2）水冷壁管發生此類腐蝕主要在向火側，背火側則無明顯異常。本次水冷壁管泄漏區域發生在衛燃帶上方彎管處，爐水雜質易沉積，也處于循環流化床的密相區，熱負荷較高，導致向火側爐水中的堿濃度較高，形成堿腐蝕，腐蝕產物主要為Fe3O4。

3）彎管處存在的殘余應力在強堿性環境下可成為堿應力腐蝕的條件。

4）造成本次循環流化床鍋爐水冷壁管衛燃帶上方彎管爆管的原因是，局部發生堿腐蝕與堿應力腐蝕，它們共同作用造成水冷壁管腐蝕失效。

5 建議

1）鍋爐運行中加強水質監控，確保鍋爐水質各項指標符合相關標準要求。

2）鍋爐制造過程中對爐膛內彎管進行消應力熱處理可降低發生堿應力腐蝕的可能性。

3）鍋爐檢驗時，檢驗人員在實施檢驗前應充分了解鍋爐的結構以及鍋爐運行特點，如水冷壁管彎管（既是流體流動方向驟變處，也常常是焊縫附近）、高熱負荷部位等處應是檢驗重點，其次應仔細查看鍋爐運行、水質監測記錄，在按新頒布的《鍋爐定期檢驗規則》對鍋爐進行內部檢驗時，水冷壁管的割管檢查位置可選在衛燃帶上方彎管處以及熱負荷較高部位［8］，在分析垢樣成分時可結合鍋爐結構和運行狀況得出結垢和腐蝕產生的原因，阻止腐蝕加劇以提高鍋爐的運行安全性。

［1］ 徐洪.高壓鍋爐水冷壁管堿腐蝕診斷與機理研究［J］.中國電機工程學報，2003，23（2）：183-187.

［2］ 孫連啟.循環流化床鍋爐水冷壁的磨損形式和壽命評估 ［J］.中國特種設備安全，2015，31（8）：37-41.

［3］ 許宏飛，薛躍軍，鄭自芹，等.發電廠水冷壁管腐蝕失效分析［J］.兵器材料科學與工程，2013，36（2）：119-122.

［4］ 盧黎明，林凱明，黃暉等.鍋爐水冷壁管腐蝕泄露事故分析 ［J］.石油化工安全環保技術，2014，30（4）：43-44.

［5］ 徐偉，李武榮.循環流化床鍋爐水冷壁泄露分析［J］.中國特種設備安全，2015（S1）：72-80.

［6］ 汪逸安.碳四裝置氣相平衡線開裂分析［J］.中國特種設備安全，2015（S1）：134-136.

［7］ GB/T 30579—2014 承壓設備損傷模式識別［S］.

［8］ TSG G7002—2015 鍋爐定期檢驗規則［S］.

Corrosion Failure Analysis on Water-cooled Wall Tubes for Circulating Fluidized Bed Boiler

Xue Dongjian1Zhou Zhenhua1Cheng Bo2Zhang Guoxiang1
（1.Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute Ningbo 315048
（2.Yuyao Bureau of Market Supervision Administration Yuyao 315400）

Failure analysis was carried out to find out the causes of burst on water-cooled wall tubes elbow for circulating fluidized bed （CFB） boiler.Through macro-observation， chemical composition， macro structure， grain size and water quality investigation.The high pH value of boiler water at the fire-facing side of weld dense phase zone will lead to alkali concentration that will cause caustic corrosion.The residual stress in elbow in the strong alkaline environment that will cause caustic stress corrosion.Research results show that the tube failure is caused by both caustic corrosion and caustic stress corrosion.Strengthen water quality monitoring and elimination of stress treatment can effectively prevent the alkali corrosion and alkali stress corrosion.

Circulating fluidized bed boiler Water-cooled wall tubes Caustic corrosion Caustic stress corrosion Failure analysis

X933.2

B

1673-257X（2016）09-0056-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.09.014

薛東劍（1984～），男，本科，工程師，從事承壓類特種設備檢驗檢測工作。

（2016-05-04）