電站鍋爐水冷壁管泄漏原因分析及處理

李贊 沈英杰

摘要：水冷壁管是鍋爐的重要部件之一，用于吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量，使管內介質受熱蒸發，并起到保護爐墻的作用。其設計材料要求具有良好的熱傳導性、抗熱疲勞性能及抗高溫煙氣腐蝕性能，并要求耐磨性能、工藝性能良好，尤其是焊接性能良好。常用的材料有20G、St45.8、STB42、SA210C等，其長期使用的最高壁溫應≤450℃。

關鍵詞：電站鍋爐;水冷壁管;泄漏原因;分析

某電廠鍋爐于2000年1月投產，系西班牙Foster Wheeler能源公司設計制造的FWESA1189.2/17.14-1型的亞臨界壓力、一次中間再熱、單汽包、自然循環、固態排渣的煤粉鍋爐。日前，鍋爐右側墻，標高24米處的水冷壁管發生泄漏，泄漏前爐水pH值約在9.2～9.5之間。水冷壁管的設計材料為SA210C，規格為覬76mm×9mm，管內介質的設計溫度為350℃，工作壓力為18MPa。截至本次泄漏，已累計運行約12萬小時。

1.??? 試驗

1.1? 宏觀檢驗

將泄漏的水冷壁管段取樣，對泄漏口縱剖，宏觀形貌特征如圖1所示。

（1）???? 泄漏點位于管子向火面焊縫處，呈長方形，長約21mm，寬約14mm（圖1a）。

（2）???? 管子內壁金屬表面上產生凹凸不平的腐蝕坑（圖1b），腐蝕坑處出現黑褐色腐蝕產物（圖1c）。

（3）???? 焊縫內表面錯口（圖1d），根部未焊滿（圖1e），最深約為2mm。

（4）???? 泄漏口附近管子外壁存在密集的周向裂紋，裂紋呈楔形由外壁向內壁擴展，裂紋內存在腐蝕產物（圖1f）。

1.2? 化學成分檢測

使用SPECTROTEST定量光譜儀，對爆口管段進行化學成分檢測。

根據標準ASME SA210《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管子》對SA210C鋼的化學成分要求，泄漏管段的各化學元素的含量均在標準允許范圍之內。

（a）外壁宏觀形貌（b）內壁腐蝕坑（c）腐蝕產物（d）焊縫錯口（e）焊縫未焊滿（f）外壁周向裂紋

1.3? 金相分析

對泄漏管段縱剖面進行金相檢測，打磨至600#金相砂紙，然后采用金剛石拋光劑對試樣進行機械拋光，使用4%硝酸酒精溶液（每100ml溶液中：分析純硝酸4ml、無水乙醇96ml）進行浸蝕，浸蝕后用無水乙醇清洗，并用吹風機吹干。最后使用Axio Vert A1金相顯微鏡對金相組織進行觀察，并參照標準DL/T674-1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》對珠光體進行球化評級，檢測結果如下。

距泄漏口邊緣20mm處、30mm處及泄漏口背面母材的金相組織均為鐵素體和珠光體，珠光體形態明顯，珠光體球化評級1～2級;泄漏口背面焊縫的金相組織為晶粒粗大的魏氏組織。

（a）泄漏口邊緣（b）距泄漏口邊緣5mm處（c）距泄漏口邊緣10mm處

（d）距泄漏口邊緣15mm處

（a）距泄漏口邊緣20mm處（b）距泄漏口邊緣30mm處（c）泄漏口背面母材（d）泄漏口背面焊縫

1.4? XRD檢測

取下水冷壁管內壁腐蝕坑處的腐蝕產物，研磨成粉末，使用X'Pert Pro型X射線衍射儀進行物相分析，設備參數為電壓40kV，電流40mA，陽極靶材為Cu靶，檢測結果如圖4所示，腐蝕產物的主要成分是Fe3O4。

2.??? 試驗結果及討論

泄漏口管段的化學成分在標準允許范圍之內，不存在材料錯用或者化學成分不合格的情況。焊縫附近的管子內壁腐蝕減薄嚴重，并發生泄漏，內壁腐蝕坑處存在大量黑褐色腐蝕產物，黑褐色腐蝕產物主要物相為Fe3O4。

分析認為，焊縫的焊接質量較差，焊縫處存在錯口，并且根部存在未焊滿現象，造成局部汽水循環不通順，爐水通過時，流速降低，于此處產生渦流，垢物在此處沉積。水冷壁內表面附著的水垢、腐蝕產物等沉積物是造成局部鍋水pH值偏高、產生垢下腐蝕的必要條件。沉積物越多越易發生垢下堿性腐蝕。當垢物沉積后，熱傳導不良，管子壁溫升高，爐水在此處濃縮，pH值升高。當pH>13時，管壁金屬表面上的保護膜Fe3O4會與濃縮的爐水生成反應如下：

當Fe3O4沉淀物（水垢）附著在向火面金屬內壁（陽極）后，由于水垢的阻擋，沉淀物外部的爐水不能和沉淀物下濃縮的爐水混合，造成沉淀物下爐水進一步的局部濃縮，加劇了沉淀物下金屬內壁的不斷腐蝕，逐漸形成凹凸不平的腐蝕坑，使管壁不斷減薄，直至泄漏。

本次泄漏的位置位于吹灰器附近，吹灰器存在冷凝水，當吹灰器工作時，冷凝水噴到高溫的管子外表面，造成短時間的急冷，使管壁溫度急劇交替變化，產生較大的熱應力，造成了塑性變形損傷累積，形成熱疲勞，在外壁產生密集的周向裂紋，但裂紋并未穿透管壁，不是本次泄漏的主要原因。電站水冷壁管長期在惡劣的工況下運行，發生爆管泄漏是較為常見的事故，其中垢下腐蝕就是最為常見的原因之一。

3.??? 結論：

（1）???? 綜合以上分析，本次泄漏的原因為局部垢下堿性腐蝕。

（2）???? 為保障鍋爐的安全運行，在全面分析爆管原因后，根據其特點，提出如下幾個建議：1.利用停爐的機會，進行酸洗，及時清除各種水垢及腐蝕產物;檢查吹灰器附近的管子，是否存在熱疲勞，對產生了疲勞裂紋的管子根據吹損及裂紋嚴重程度進行逐批更換;2.提高焊接質量，保證良好的汽水循環;3.按照GB/T12145-2008《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》的要求，加強對爐水的化學監督，控制好爐水的pH值，提高爐水和蒸汽的品質。

參考文獻：

[1《]火力發電廠金屬材料手冊》編委會.火力發電廠金屬材料手冊[M].北京：中國電力出版社，2000.

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[3]?? 火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準：DL/T674-1999[S].北京：中國電力出版社，1999.

[4]?? 崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理[M].第2版.北京：機械工業出版社，2007.