電站鍋爐水冷壁管失效分析

張鴻武，馮楠楠

（1.山東電力工業鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250003；2.濟南經緯電力工程咨詢有限公司，山東 濟南 250021；3.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；4.國網山東省電力公司經濟技術研究院，山東 濟南 250021）

0 引言

20G 鋼為優質碳素結構鋼，具有優良的塑性、韌性及焊接性。在電站鍋爐承壓部件中，20G 鋼管常用于水冷壁管，分布在爐膛的四周，吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量，并起到保護爐墻的作用，受熱溫度在1 000 ℃左右，其長期使用的最高壁溫應不超過450 ℃［1-3］。

1 檢驗檢測

某電站鍋爐為SG420-540/13.7-M419 型燃煤蒸汽鍋爐，于1992 年投產，截至目前已累計運行超過20 萬h。2005 年對水冷壁管進行防腐噴涂處理，噴涂材料為Al絲。該爐噴燃器為雙通道噴燃器。近期入爐煤含硫量在0.48%～3.71%，大部分在1.0%～2.0%之間，煤的含硫量較高。2020 年5 月該鍋爐水冷壁管發生爆管泄漏。

全面分析斷裂原因，對于指導事故處理工作，加強電站鍋爐運行管理、提高其安全可靠性，具有重要意義［4］。該水冷壁管的設計材料為20G，設計規格為Φ60 mm×7 mm，運行壓力15.2 MPa，運行溫度310 ℃。

1.1 宏觀檢驗

原始爆口位于前墻標高約12 m，北數第20 根管，爆口開口較大，呈喇叭狀，邊緣減薄明顯，見圖1（a），爆口處管壁較薄，表面有水沖刷的痕跡。從爆口宏觀形貌上來看，為腐蝕減薄爆口。

經現場檢查發現，在上下噴燃器之間以及上噴燃器以上部分區域內的水冷壁管向火側外表面均附著了大量的黑灰色較為堅硬的物質。

爆漏管鄰近管子表面附著有大量的黑灰色塊狀物質，主要集中在管壁向火側中間部位，呈多層結構，最外層是不穩定的疏松焦渣，里一層是脆硬的黑褐色燒結物，厚度在1～2 mm，與內層結合較為緊密，用銼刀敲擊呈片狀脫落；最內層是深灰色或藍黑色腐蝕產物，與管壁結合極為緊密，很難用銼刀敲落，見圖1（b）。在管壁靠近鰭片處附著物較少，但管壁減薄量加大，最薄處約2.6 mm，存在點狀的凹坑，見圖1（c）。

圖1 宏觀形貌

1.2 金相分析

對取樣管段進行金相檢測，并根據標準DL/T 674—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［5］。檢測結果如下。

管子向火面（爆口邊緣）及背火面（爆口背面）的金相組織均為珠光體和鐵素體。珠光體區域開始分散，其組成仍較為致密，基本保持原有形態，珠光體球化評級均為2級，如圖2所示。

圖2 金相組織

外壁腐蝕產物共分為三層，最外層較為疏松，存在較多孔洞；次外層相對最外層致密，但也存在部分孔洞；內層最為致密，與噴涂層結合緊密，如圖3所示。

圖3 腐蝕產物形貌

1.3 微觀形貌及能譜檢測

使用AMRAY1830 掃描電子顯微鏡，對爆口管段進行微觀形貌檢測，如圖4 所示，從襯度上可以看出，水冷壁管外壁腐蝕產物截面共分為三層，最外層顏色最淺，較為疏松，含有較多顆粒狀物質；次外層較最外層致密；內層與噴涂層結合緊密；噴涂層與基體之間存在較多孔隙和裂紋，結合不是很緊密。腐蝕產物表面存在大量的孔洞和裂紋，較為疏松脆硬。

對外層腐蝕產物的表面和截面進行能譜檢測，分別如圖4（b）和圖5 所示。可見外層腐蝕產物的表面主要由Fe 元素、Al 元素、S 元素、Si 元素組成，S 元素含量最高。

圖4 微觀形貌

圖5 外層腐蝕產物截面能譜測點

外層腐蝕產物的截面中1區全部為Fe元素，為管子基體；2區含有部分S元素和Cl元素；3區Al元素含量較高，為噴涂層與腐蝕產物混合區域；4區與5區成分基本一致，S 元素含量較高，存在少量的Ca 和K 元素，為腐蝕產物和積灰沉積區域，檢測結果見表1。

表1 試樣的能譜檢測結果（質量分數） 單位：%

1.4 物相分析

取下附著在水冷壁管外壁的腐蝕產物，研磨成粉末，使用X’Pert Pro 型X 射線衍射儀進行物相分析，檢測結果如圖6 所示，腐蝕產物的主要成分是FeS、Fe3O4及少量SiO2（非晶物相不能檢出）。

圖6 外壁腐蝕產物X射線衍射的檢測結果

2 爆管原因分析

該鍋爐噴燃器為雙通道噴燃器，其調節機構傳動裝置設計不合理，在熱態時會因變形而經常卡澀，葉片無法準確調節；傳動機構之間的裝配間隙偏大，剛性和緊固性差，葉片角度容易失去控制。這些都嚴重影響了噴燃器的配風性能，導致配風不合理和出口氣流流場混亂，造成火焰沖刷爐墻。

燃料煤粉中黃鐵礦（FeS2）隨灰粒和未燃盡煤粉一起沖到管壁上，受熱分解出自由原子硫和硫化亞鐵［6］：

此外，當管壁附近存在H2S 和SO2時也可能生成自由原子硫［6］：

當燃燒完全時，煤粉中的硫原子被完全氧化，與氧結合生成SO2及少量的SO3，SO2與Fe 的反應能力略強于O2，但因SO2在煙氣中的濃度遠低于O2，因此O2能與水冷壁管壁金屬中的Fe 優先反應生成致密、連續且與管壁結合緊密的氧化膜（Fe2O3、Fe3O4、FeO）。當火焰直接沖刷爐墻時，在離心力的作用下，管壁附近含氧量減少，在水冷壁管壁附近產生還原性氣體和腐蝕性氣體，緊鄰管壁處未完全燃燒的硫原子單獨存在，在管壁溫度達到350 ℃時，會發生如下反應［6-7］：

對于貧煤機組，鍋爐的斷面熱負荷和容積熱負荷都相對較大，噴燃器區域熱負荷高；正常運行工況下，水冷壁管壁附近的煙氣溫度在1 000 ℃以上，這也為水冷壁管壁的高溫硫腐蝕提供了條件［6］。水冷壁管內的介質溫度只有300～400 ℃，管壁內外溫差較大，換熱劇烈，盡管外壁具有保護性的氧化膜，但硫原子及反應生成的硫化亞鐵對金屬氧化膜仍具有破壞作用，可以直接以滲透的方式穿過氧化膜，使內部硫化，同時使氧化膜疏松、開裂，甚至剝落，產生的腐蝕產物附著不牢固，會隨著運行工況的變化發生脫落，如此惡性循環，使得高溫腐蝕持續不斷地發生［8-9］：

水冷壁管金相組織為鐵素體和珠光體，珠光體球化評級為2級，組織性能正常。

腐蝕產物截面分為三層，腐蝕產物中S 元素的含量非常高，內層和次外層達到30%以上，表面為57.48%，表面腐蝕產物主要物相為FeS、Fe3O4及SiO2。結合近期入爐煤含硫量較高，噴燃器水平區域火焰沖刷爐墻，在水冷壁管向火側表面局部形成還原氣氛，在煙氣溫度較高的環境中，水冷壁管向火側管壁逐漸腐蝕減薄，當管壁減薄到一定厚度時，強度無法承受管內介質的壓力，而發生爆破。

3 結語

本次爆管產生的原因為硫化物型高溫腐蝕。建議對噴燃器區域內出現高溫腐蝕的水冷壁管向火側管壁厚度進行測量，更換厚度低于設計厚度1/3的管子；改善燃煤質量，采用的含硫量低的燃煤；對噴燃器區域出現高溫腐蝕的水冷壁管表面進行噴涂處理，減緩高溫腐蝕的腐蝕速率。