某水電廠鍋爐水冷壁管泄漏的原因

付洋洋

(上海材料研究所, 上海 200437)

充足的電力生產是國民經濟發展的主要保證。我國炭資源豐富，長期以來從火力發電為主，使得火力發電對于電力生產尤為重要。鍋爐作為火力發電廠的三大機組之一，其安全性和穩定性對電力生產的影響極大[1]。水冷壁管由許多并聯的管子組合形成蒸發受熱面，一般安裝在鍋爐爐膛內壁。水冷壁管的主要作用是吸收爐膛中高溫火焰或煙氣的輻射熱量，通過熱傳導使管內的水產生蒸氣或變成熱水，以此來降低爐墻的溫度，達到保護爐墻的目的[2]。某水電廠鍋爐水冷壁管發生泄漏，其材料為20G鋼，管外部由澆注料覆蓋，管內部為除鹽水，溫度約為280 ℃，自然水循環，外部環境為1 000 ℃的高溫煙氣，水冷壁管采用豎直安裝，該次泄漏為二次泄漏，管道發生泄漏的位置為向火面，水冷壁管的宏觀形貌見圖1a)，澆注料墻體宏觀形貌見圖1b)。筆者通過宏觀觀察、化學成分分析、 掃描電鏡分析、能譜分析以及顯微組織觀察，對水冷壁管泄漏的原因進行分析。

圖1 泄露水冷壁管和澆注料墻體的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of leaking water wall tubea) and castable wall b)

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

水冷壁管泄漏點處的宏觀形貌見圖2a)，可見泄漏點位于銷釘附近的管壁凹陷處，該區域附近呈深灰色。通過機械加工方法截取泄漏點處試樣，其內壁的宏觀形貌見圖2b)。對試樣側面進行觀察，外壁可見凹陷，內壁未見異常，管壁整體發生減薄，見圖2c)。

圖2 水冷壁管泄漏點處的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of leakage point of water wall tube:a) outer wall; b) inner wall; c) side

1.2 化學成分分析

從泄漏水冷壁管上截取試樣進行化學成分分析，結果見表1。由表1可見，水冷壁管的化學成分符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的技術要求。

表1 泄漏水冷壁管的化學成分Tab.1 Chemical compositions of leaking water wall tube

1.3 掃描電鏡及能譜分析

在水冷壁管泄漏點處截取試樣，經鑲嵌、磨拋后在顯微鏡下觀察，泄漏點處的微觀形貌見圖3a)，從形貌可判斷其穿孔是從管道外壁向內壁擴展。進一步放大外壁處，可見其表面存在腐蝕產物，見圖3b)。對腐蝕產物進行能譜分析，結果見圖4，檢測到有較高含量的硫和氯等腐蝕性元素，以及鈉、鎂、鉀和鈣等元素。判定是由硫和氯元素引發電化學反應從而使材料發生腐蝕，從而穿孔的[3]。

圖3 水冷壁管泄漏點處和外壁處的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of leakage point a) and outer wall b) of water wall tube

圖4 水冷壁管泄漏點外壁處腐蝕產物的微觀形貌及能譜分析結果Fig.4 Micro morphology a) and energy spectrum analysis results b) of corrosion products on outer wall of leakage point of water wall tube

1.4 顯微組織觀察

在水冷壁管泄漏點外壁處截取試樣，經鑲嵌、磨拋及浸蝕后進行顯微組織觀察。由圖5可見，管外壁可見明顯的減薄區域，放大觀察泄漏點處，顯微組織為鐵素體+珠光體，組織未見變形[4]，見圖5b)，說明管壁沒有發生塑性變形。

圖5 水冷壁管泄漏點外壁處的顯微組織Fig.5 Microstructure at outer wall of leakage point of water wall tube:a) low magnification; b) high magnification

2 結果與討論

水冷壁管的化學成分符合相關標準的要求。通過宏觀觀察可知，管道泄漏點外壁處可見凹陷，內壁未見異常，管壁整體明顯減薄，水冷壁管泄漏點處的顯微組織為鐵素體+珠光體。

泄漏發生在水冷壁管的向火面，該墻面向1 000 ℃左右的高溫煙氣，其成分較為復雜，含有腐蝕性介質。一般情況下，澆注料形成的墻體能隔絕這些介質，保護水冷壁管不受其腐蝕。從圖1b)可以看出，澆注料形成的墻體表面存在龜裂、縫隙以及白色異物滲出，說明墻體致密性較差，高溫煙氣易滲入墻體內部，銷釘位置處的墻體最為薄弱，煙氣最先在銷釘位置滲入墻體內部與水冷壁管外壁接觸，由于高溫煙氣內含有較高的硫、氯等腐蝕性元素，且水冷壁管的局部熱負荷過高，腐蝕性低熔點化合物黏附于管道表面，導致銷釘周圍位置處優先發生腐蝕，腐蝕區域的覆蓋物和煙氣的還原性氣氛有利于低熔點化合物的形成及擴散，使腐蝕反應持續進行，壁溫升高，煙氣直接沖刷，這會促進腐蝕反應的進行，受熱面管道內壁有沉積物時，會使管壁溫度升高，加速腐蝕，從而導致管壁減薄，最終發生泄漏。

3 結論

水冷壁管發生泄漏的原因是高溫煙氣中的腐蝕性介質滲入墻體內部，導致水冷壁管發生腐蝕，管壁先發生減薄，最終穿透發生泄漏。