電站鍋爐水冷壁腐蝕原因分析

王 云 李向陽

（中國能源建設集團山西電力建設有限公司，太原 030031）

水冷壁管主要用來吸收爐膛中高溫火焰的輻射熱量，并在水冷壁管內產生蒸汽和熱水，以降低爐墻的溫度[1]。水冷壁是鍋爐中最主要的蒸發受熱面，其中鍋爐爐膛中有40%～55%的熱量被水冷壁吸收[2]。電站鍋爐水冷壁的腐蝕將直接導致水冷壁管子減薄，存在爆管風險[3-5]。因此，分析討論水冷壁腐蝕對機組的穩定運行至關重要。

1 試驗分析

1.1 宏觀分析

對送樣管宏觀分析發現，水冷壁管背火面呈土褐色，向火面有積灰層和腐蝕層包裹，顏色呈深灰色，同時伴隨有大面積崩落，整體宏觀形貌見圖1。

圖1 送樣管段整體形貌

仔細檢查發現，水冷壁管向火面腐蝕產物較厚，且有明顯分層，并伴隨有大面積脫落。表層產物呈現乳白色，為樹皮狀形貌，厚度較薄，見圖2（a）。里層為高溫氧化銹蝕層，顏色呈鐵銹色，厚度較厚，見圖2（b）。此外，在管子外壁還發現有孔雀藍色。

圖2 水冷壁管向火面腐蝕產物

1.2 化學成分分析

水冷壁送樣管元素成分檢測結果，見表1。采用直讀光譜儀進行光譜分析，結果表明，試樣管化學成分符合ASME SA-210/SA-210M 2019表1對SA-210A1材質元素含量的要求。

表1 水冷壁試樣管化學成分表 單位：%

1.3 力學性能測試

1.3.1 拉伸試驗

對水冷壁送樣管取4根型拉伸試驗，結果見表2。拉伸試驗結果表明，H2、H4屈服強度不合格，伸長率不足，其余符合ASME SA-210/SA-210M 2019表3對SA-210A1的拉伸要求。

表2 試樣管拉伸試驗結果

1.3.2 尺寸測量

對試樣進行尺寸測量，結果見表3。測量結果表明，水冷壁管無脹粗，向火面已經嚴重減薄，可能導致減薄的原因有內部沖刷和高溫腐蝕。

表3 試樣管外觀尺寸

1.4 腐蝕產物分析

水冷壁試樣管腐蝕嚴重處取環狀樣，橫截面磨拋后觀察向火面外壁區域腐蝕產物，發現腐蝕產物厚薄不一且大部分已崩落。腐蝕產物分層線掃描結果見圖3（a），腐蝕產物表面層能譜分析見圖3（b）。能譜試驗結果，如表4所示。

表4 能譜試驗結果

圖3 水冷壁試樣管腐蝕產物分層能譜

根據能譜試驗結果可知，水冷壁試樣管腐蝕產物表面層的化學成分主要為O、S、Si、Al、Mg、Na、Ca以及K等多種元素。

1.5 金相組織分析

依據《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》（DL/T 674—1999）對水冷壁試樣管向火面和背火面進行金相組織評定。試樣管向火面球化程度為未球化-傾向性球化，球化級別為1.5級。珠光體中的碳化物部分開始分散，珠光體形態明顯。試樣管背火面球化程度為未球化-傾向性球化，球化級別為1.5級。珠光體中的碳化物部分開始分散，珠光體形態明顯。如圖4所示。

圖4 水冷壁試樣管金相組織

2 分析討論

2.1 材質方面

水冷壁管材質符合SA-210A1材質范圍要求。力學性能拉伸、屈服強度部分不合格，伸長率不足。金相組織球化級別為1.5級，屬部分傾向性球化。分析表明，材料強度不足的原因可能與使用方面受組織部分傾向性球化導致輕微退化有關，也可能與原始管段強度等指標先天不足有關。

2.2 腐蝕方面

水冷壁服役溫度在386～397 ℃。鍋爐在運行過程中由于燃煤中硫及其他有害雜質的存在，在高溫下對水冷壁造成高溫腐蝕。在燃煤鍋爐中，高溫腐蝕分為硫酸鹽型、氯化物型和硫化物型3種。水冷壁的高溫腐蝕通常是這3種類型腐蝕復合作用的結果。腐蝕產物分層能譜分析表明，腐蝕產物主要包括O、S、Si、Al、Mg、Na、Ca以及K等多種元素。分析認為，這些元素分布特征表明水冷壁腐蝕主要為硫酸鹽型高溫腐蝕。

2.3 硫酸鹽型高溫腐蝕機理

在爐內高溫下，煤中的NaCl中的Na+易揮發。除一部分被熔融的硅酸鹽捕捉外，有一部分與煙氣中的SO3發生反應，形成Na2SO4；另一部分是易于揮發性的硅酸鹽，與揮發的Na+發生置換反應釋放出鉀，與SO3化合生成K2SO4。堿金屬硫酸鹽有黏性且露點低。在堿金屬硫酸鹽沉積到受熱面的管壁后會再吸收SO3，并與Fe2O3、Al2O3作用生成焦硫酸鹽(Na,K)2S2O7。這樣受熱面上熔融的硫酸鹽吸收SO3，并在Fe2O3、Al2O3作用下生成復合硫酸鹽的沉積，熔點降低，表面溫升升高。當表面溫升升高到熔點，管壁表面的Fe2O3氧化保護膜被復合硫酸鹽破壞，會繼續腐蝕管壁。

2.4 測量方面

向火面腐蝕產物厚度測量數據顯示厚度達1.6 mm，可見腐蝕程度比較嚴重。水冷壁管內外徑測量表明，管子無脹粗現象，壁厚測量減薄嚴重，測量值中最薄處僅為4.9 mm，相對于6.5 mm厚度管而言，減薄量達到25%，大大降低了水冷壁的承壓能力。

3 結語

鍋爐水冷壁腐蝕主要為硫酸鹽型高溫腐蝕。燃煤中的S、K、Na等物質的存在，導致高溫腐蝕。煤粉火焰沖刷水冷壁、配風狀態、易于出現的還原性氣氛等，均對水冷壁產生高溫腐蝕有促進作用。高溫腐蝕直接導致水冷壁向火面持續減薄，繼續使用將存在爆管風險，建議及時更換。此外，建議對鍋爐煤質成分進行檢查，同時檢查鍋爐配風狀況。