電站鍋爐水冷壁管的泄漏原因及應對措施研究

趙文宇

（中國石油大慶石化公司熱電廠鍋爐車間 163714）

從電站的運行經驗來看，造成電站非計劃停機的主要原因是四管泄漏，超過事故總數的一半以上。四管泄漏嚴重威脅機組安全，造成資源的浪費，歷來被電廠所重視。作為鍋爐的關鍵部件，水冷壁管一旦發生失效，將會嚴重威脅鍋爐運行安全，國內外已經開展了較為深入的研究，水冷壁管的泄漏形式主要有煙氣側腐蝕和水汽側腐蝕2種，腐蝕發生后會隨著時間的增長而擴大，假如放任腐蝕繼續發展，就會造成水冷壁管失效 。

本文以某電廠030/17.5-YM9型號的600MW機組所使用的鍋爐為例，該鍋爐的蒸發量為1762t/h。水冷壁管形式為內螺紋管，在長期的運行過后，近期經常發生泄漏，本文將分析其泄漏原因，找到導致水冷壁管腐蝕的誘因，探索其失效機理，有針對性地提出相應措施，保障機組的運行安全，為其他水冷壁管失效問題提供借鑒。

1 試驗

經檢查，水冷壁管的泄漏位置為右側第八根，泄漏處呈現明顯的橫向裂紋，并在漏點上方因高溫產生爆管，尺寸為φ51mm×5.6mm，該水冷壁由20碳素結構鋼制成，已累計運行9.7萬h。如圖1所示，水冷壁管泄漏處存在輕微結焦，裂紋長度10mm，但無明顯變形，這些裂紋均處于向火側。

圖1 水冷壁管泄漏處

采用專用工具將上圖1的水冷壁管縱向剖開發現管內壁殘留黑灰色垢層，并可見貫通的橫向裂紋，如圖2所示。

圖2 水冷壁管泄漏處內壁

采用超聲清洗的方法清除管壁污垢后發現大量枝狀裂紋，如圖3所示，這些裂紋主要位于螺紋邊緣，且處于向火側，背火側只存在一些點蝕而無裂紋，但這些點石依然位于螺紋邊緣。

圖3 水冷壁管裂紋與點蝕

如圖4所示，失效部分的水冷壁管的壁厚無明顯變化，向火側呈現出由內壁向外壁延伸的腐蝕結構，深度達到管壁厚度的一半，并開始出現橫向擴展。

圖4 失效部分水冷壁管的橫截面

采用進口光譜儀分析水冷壁管的化學成分，結果顯示，該水冷壁管完全符合國家相關技術文件的要求。再利用金相顯微鏡分析其組織結構，如圖5所示，該水冷壁管的顯微組織為鐵素體+珠光體，均符合國家相關要求，對于運行了9.6萬小時的水冷壁管而言，珠光體球化等級符合水冷壁管運行經驗，且向火側與背火側的組織結構相同。

圖5 水冷壁管金相顯微鏡下的組織結構

如圖6所示，水冷壁管失效處的管壁發生了明顯的腐蝕現象，形成了多個帶狀腐蝕坑，向火側蝕坑數量多、深度大，并呈現出穿晶形式的擴展裂紋，裂紋深度幾個毫米，背火側雖然也存在一定數量的蝕坑，但明顯少于向火側，且無明顯擴展。

圖6 失效管段向火側和背火側內壁的顯微組織

在電子顯微鏡下觀察失效水冷壁管內壁垢層，如圖7、8所示，可知垢層的主要成分為Fe元素，O元素和Cu元素。

圖7 內壁垢層的SEM形貌及能譜

圖8 腐蝕坑SEM形貌

如圖9所示，水冷壁管失效處裂紋的主要成分為Fe的氧化物。

圖9 向火側裂紋的SEM形貌及EDS圖譜

2 結果與討論

水冷壁管內的氧化鐵垢層大大提高了其熱阻，使熱量無法及時擴散至水中，受到持續高溫的作用，并且螺紋與水垢還減弱了管內水的流通，使水內的介質大量沉積，高濃度的介質導致水冷壁管發生電化學腐蝕。

在長期的運行過程中，電化學腐蝕的程度逐漸增加，在上文的實驗中發現，水冷壁管向火側蝕坑數量多、深度大，腐蝕現象明顯高于背火側，對其原因進行分析可知：水冷壁管的向火側與背火側溫差較大，溫度高的一側爐水濃縮的速度更快、濃度更大，溫度低的一側爐水濃縮的速度慢、濃度低，這時就會發生濃差電池反應，溫度高的一側是陽極，陽極反應導致金屬的腐蝕速度大大加快。向火側的溫度更高，局部爐水電導率變大，腐蝕速度隨著電流變大而加快，就形成了比背火測更加嚴重的腐蝕現象。由于向火側與背火側溫差較大，還會引起電化學反應，背火側是陰極，觸發了陰極金屬電化學保護作用，降低了腐蝕速度。

在顯微組織試驗中顯示向火側蝕坑數量多、深度大，呈現出穿晶形式的擴展裂紋，裂紋深度幾個毫米，而背火側雖然存在一定數量的蝕坑，但明顯少于向火側，且無明顯擴展。如圖10所示，沿著向火側裂紋掰開水冷壁管觀察其斷口，可見裂紋的起點為內壁蝕坑，且呈放射狀擴展，顯示了明顯的疲勞斷裂形貌，這是因為向火側的水冷壁管長期處于交變熱應力的作用下，由蝕坑開始發生了疲勞裂紋。在長期的運行中，受熱疲勞載荷反復作用，裂紋逐漸擴展，最終貫穿水冷壁，形成了外壁橫向裂紋。此外，裂紋表面還附著著垢層，受到氧化腐蝕的作用，在交變載荷與氧化腐蝕的雙重作用下，疲勞裂紋附近的介質不斷沉積，形成了惡性循環，導致裂紋的速度逐漸增加，在近期出現多起水冷壁管泄漏事故。

圖10 向火側水冷壁管斷口SEM形貌

隨著我國能源格局的不斷優化，調峰電源的需求量增大，火電機組調風適應能力強，已成為調峰電源的主力，致使機組需要經常啟停，負載的升降也成為常態。這種變化會引起水冷壁管所受的溫度波動增大，對水冷壁管造成一定的沖擊，受到交變應力的作用，長期處于這種狀態下，水冷壁管的向火側容易產生疲勞裂紋，向火側還受到電化學腐蝕的作用，因此，向火側的腐蝕和裂紋情況要比背火側嚴重許多，致使向火側經常發生泄漏。

3 處理措施

腐蝕和疲勞裂紋都是緩慢發生的，需要長時間的積累才能導致水冷壁管泄漏，機組日常運行時，就要定期開展安全評估，將運行環境惡劣的部位作為重點評估對象，一旦發現損傷程度達到更換標準，要立即進行更換。腐蝕和疲勞裂紋造成的泄漏可以從引起泄漏的原因出發，采取有效的措施阻止或延緩泄漏的發生。

定期對鍋爐進行除垢作業，在鍋爐水中加入添加劑，在水冷壁管內壁形成保護膜，阻止水垢的形成，預防腐蝕的發生。

監測鍋爐水的水質，定期測定鍋爐水的成分，控制水中的氧含量，保證鍋爐排污裝置正常運行，監測鍋爐水中的金屬離子含量，加入中合劑消除過多的金屬離子，降低水冷壁管內的污垢附著。

嚴格按照鍋爐運行制度控制鍋爐的起停速率，使鍋爐負荷變化平穩，盡量避免頻繁啟停，降低因頻繁啟停引起的熱應力損害。

4 結語

（1）水冷壁管的泄漏處呈現明顯的橫向裂紋，該水冷壁已累計運行9.7萬h，由20碳素結構鋼制成，顯微組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化等級符合水冷壁管運行經驗和國家標準，且向火側與背火側的組織結構相同，說明水冷壁管的泄漏原因與材料本身的質量無關。（2）水冷壁管失效處的管壁發生了明顯的腐蝕現象，形成了多個帶狀腐蝕坑，向火側蝕坑數量多、深度大，內壁垢層的主要成分為Fe元素、O元素和Cu元素，受到持續高溫的作用，螺紋與水垢減弱了管內水的流通，使水內的介質大量沉積，高濃度的介質導致水冷壁管發生電化學腐蝕。（3）沿著向火側裂紋掰開水冷壁管觀察其斷口，裂紋的起點為內壁蝕坑，且呈放射狀擴展，符合疲勞斷裂形貌，由于向火側的水冷壁管長期處于交變熱應力的作用下，由蝕坑開始發生了疲勞裂紋，在長期的運行中，受熱疲勞載荷反復作用，裂紋逐漸擴展，最終貫穿水冷壁引起泄漏。（4）向火側與背火側溫差較大，溫度高的一側爐水濃度大，溫度低的一側爐水濃度低，發生濃差電池反應，導致向火側金屬的腐蝕速度大于背火側。向火側承受的溫差更大，受到交變熱應力的作用更強，更容易產生疲勞裂紋，導致向火側更容易發生泄漏。