一臺電站鍋爐水冷壁管壁厚異常減薄的原因分析

熊文俊

摘? 要：電站鍋爐定期檢驗是保障鍋爐安全運行的重要手段，對于定期檢驗過程中發現的問題，分析其成因，對于預防鍋爐事故具有重要意義。該文作者通過對某臺電站鍋爐定期檢驗時，發現的水冷壁管減薄的問題，通過對減薄部位割管金屬進行宏觀檢查、金相檢驗、掃描電鏡檢驗和化學實驗分析等，結果表明，造成該鍋爐壁厚減薄的原因為硫化物和S原子高溫煙氣腐蝕。通過該次分析論證，對于后期鍋爐的安全運行提出了指導意見。

關鍵詞：電站鍋爐;水冷壁;減薄

中圖分類號：TG174? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

某 火 力 發 電 廠 3 號 鍋 爐 型 號 為 HG1025-18.2/540-YM6，屬于亞臨界控制循環汽包爐，為單爐膛、一次中間再熱、平衡通風和固態排渣的 π 型煙煤爐。爐膛燃燒器分為五層，正四角布置，采用逆時針旋轉的切園燃燒方式。水冷壁由前墻、后墻、左墻、右墻、延伸側包墻和底包墻水冷壁組成，其中爐膛前墻、后墻和側墻水冷壁均為內螺紋鰭片管，材料為 20 G，規格Φ44.5×5.4 mm，管節距 63.5 mm，前墻和后墻水冷壁管均為 245 根，側墻 380 根。

該鍋爐投產于 1998 年 12 月，累計運行 11.5萬 h 后電廠利用檢修時機在爐膛后墻標高約 30 m處、56 號吹灰器的下側切取 2 根水冷壁管（鍋爐右側數第 67 和 68 根）作為取樣管進行檢驗，檢查發現 2 根取樣管向火側均存在壁厚異常減薄現象。

1 宏觀檢查

1.1 管外壁檢查

取樣管向火側外壁均為附著物所覆蓋，如圖1所示，附著物的最大厚度超過2 mm。附著物分為多層，其中外層附著物堅硬、易碎，多處附著物外層出現不同程度的剝落。

1.2 管內壁檢查

沿取樣管的鰭片位置縱向剖開管子，圖 2（a） 顯示管內壁呈深黑色，無明顯水垢附著，內壁螺紋線明顯，酸洗后管內壁圖 2（b）， 表面光滑，未見明顯的腐蝕坑，內螺紋線的凸起高度均勻。

1.3 壁厚檢測

2根取樣管的橫截面如圖 3所示，圖示取樣管的背火側壁厚均勻，向火側外壁輪廓的圓弧線不連續，壁厚不均勻，局部減薄非常明顯。實測鍋爐右側數第 67 根取樣管的背火側壁厚約 5.7 mm，壁厚正常;向火側以中間為界，左半側壁厚約為4.8 mm， 稍有減薄，右半側的最小壁厚為 3.0 mm，壁厚減薄約 45%，已超過火力發電廠金屬監督規程的允許值。

2 金相組織檢查

鍋爐右側數第 67 根取樣管的向火側金相組織如圖 4所示。1）管材組織中珠光體形態較為明顯，珠光體區域中的碳化物開始分散，存在傾向性球化，按照相關標準評定珠光體球化程度為 2 級，金相組織老化程度較輕。綜合考慮鍋爐的累計運行時間和金相組織老化程度，推斷水冷壁管材在運行中壁溫正常，無過熱現象。2）外壁存在較厚的附著物，圖 4顯示附著物分為多層，其中最內層附著物較為致密且與基體金屬結合良好。3） 管內壁有深度約 0.25 mm的脫碳層，脫碳層深度在相關規程的規定范圍以內。4）管材晶粒細小，測定晶粒度在 10 級左右。

3 掃描電鏡（SEM）觀察和能譜分析（EDX）

對鍋爐右側數第 67 根取樣管的壁厚較薄處的橫截面進行 SEM 觀察和元素成分 EDX 分析，圖5 為取樣管外壁及其附著物的橫截面，該處外壁附著物的最外層已剝落，剩余附著物厚約 1 mm，大致仍可分為2層，內層致密，和基體結合良好，與光學顯微鏡觀察結果一致。附著物內外兩層的元素能譜分析位置如圖 5所示，結果見表 1，分析結果顯示附著物外層元素種類較多，富含 O、Al、Si、Fe 和 S 等元素;附著物內層元素種類少，幾乎全部為 Fe、O 和 S 元素，應為水冷壁管基體金屬的氧化腐蝕產物。

水冷壁取樣管外壁附著物能譜分析元素成分含量 （質量分數，%） 見表1。

4 化學試驗

先后將鍋爐右側數第 67 根取樣管的向火側和背火側管材分別浸入濃度為 10% 的稀鹽酸溶液中，浸有向火側管材的溶液中散發出明顯的臭雞蛋氣味即有 H2S 氣體逸出，浸有背火側管材的溶液未聞到異味，然后對兩溶液進行過濾，再分別在過濾后的溶液中加入濃度為 10% 的硫酸銅溶液，原浸有向火側管材的溶液瞬間變得混濁不清，經澄清后在燒杯底部可見黑色沉淀物，如圖 6所示，浸有背火側管材的溶液未見明顯的反應。

上述化學試驗中的反應方程式如下：

FeS+2HCl→H2S↑+FeCl2

S2-+Cu2+→CuS↓

5 試驗分析

5.1 水冷壁管壁溫正常

3號鍋爐運行11.5萬h后，水冷壁管徑無脹粗，內壁未見明顯水垢以及垢下腐蝕，向火側管材金相組織中珠光體球化程度低，組織老化不明顯，金相組織檢驗結果顯示管材在運行中壁溫正常。

5.2 外壁遭受腐蝕引起壁厚減薄

后墻水冷壁取樣管內徑測量正常，向火側內壁光滑，宏觀和微觀檢查均未見嚴重腐蝕坑，說明管內壁不曾出現嚴重的垢下腐蝕現象;向火側外壁圓弧線不連續且為附著物所覆蓋，管外徑值隨著向火側壁厚減薄量的增加而減小，這些宏觀特征表明水冷壁管壁厚的減薄完全是由外壁遭受腐蝕引起的。

5.3 外壁附著物含有FeS

元素能譜成分分析結果顯示外壁附著物中含有較多的 O、S 和 Fe 元素，與基體直接接觸的內層附著物幾乎全部為 O、S 和 Fe 元素。比對向火側和背火側管材與稀鹽酸、硫酸銅溶液的化學反應試驗結果，可進一步確定附著物中存在較多的 FeS，FeS 為燃煤鍋爐水冷壁發生硫化物型高溫煙氣腐蝕的主要產物，證明水冷壁管外壁金屬在運行中遭受了典型的硫化物型高溫腐蝕，這種腐蝕包括氧化和硫化反應，其中的硫化反應是管壁腐蝕減薄的主導因素。硫化反應是管材分別與煤粉中的黃鐵礦 （FeS2） 受熱分解出的游離狀態的 S 原子和爐膛壁面附近的高溫煙氣中的 H2S 發生反應，反應方程式如下：

6 結論

通過宏觀檢查、金相檢驗、掃描電鏡檢驗、化學實驗分析等手段，對3號鍋爐后墻水冷壁管減薄部位進行分析，可以得知3號鍋爐后墻水冷壁管壁厚異常減薄的主要原因是由硫化物和S原子高溫煙氣腐蝕。在今后此臺鍋爐運行過程中，應注意隨時監測燃料中硫元素的含量，一旦超標，應進行脫硫除硫處理。

參考文獻

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