王明庭，劉景新，趙 斌，王會權(quán)

（1.華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063000；2.唐山市特種設備監(jiān)督檢驗所 電站鍋爐部，河北 唐山063000）

電站鍋爐水冷壁頻繁腐蝕穿孔分析*

王明庭1,2，劉景新2，趙 斌1，王會權(quán)2

（1.華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063000；2.唐山市特種設備監(jiān)督檢驗所 電站鍋爐部，河北 唐山063000）

為了找出水冷壁管高負荷區(qū)頻繁發(fā)生泄漏事故產(chǎn)生的原因，通過查閱資料、宏觀檢查、壁厚測量及強度校核、硬度測定、金相分析、力學性能分析、脹粗測量等方法對事故水冷壁管進行了分析。結(jié)果表明，垢下腐蝕是導致水冷壁管腐蝕穿孔泄漏的直接原因，汽水品質(zhì)差、低負荷運行等不合理運行因素是水冷壁頻繁泄漏的根本原因。實踐表明，在高壓等級范圍的電站鍋爐，當水質(zhì)不達標時容易發(fā)生類似缺陷。

腐蝕；電站鍋爐；水冷壁；腐蝕穿孔；垢下腐蝕

1 事故概況

某鋼鐵企業(yè)自備電廠，兩臺110 t/h高壓鍋爐，從2013年底開始連續(xù)發(fā)生多次水冷壁泄漏，部分管壁上出現(xiàn)鼓包。發(fā)生事故時，鍋爐運行周期約3萬h，鍋爐主蒸汽壓力9.81 MPa，主蒸汽溫度540℃，燃料為高爐煤氣，燃燒方式為四角切圓。水冷壁規(guī)格Φ60 mm×5 mm、材質(zhì)20G。

查閱事故記錄顯示，從2013年底開始2#鍋爐發(fā)生多根水冷壁泄漏，2014年11月1日又因水冷壁泄漏事故停爐，泄漏點23處。鍋爐與2014年10月3日開始低負荷運行，到發(fā)生再次泄漏運行20余天，負荷基本保持額定負荷的50%以下。

2 事故分析

2.1 宏觀檢查

爐膛四周水冷壁整體管排排列整齊，未見異常變形。在燃燒器高度至燃燒器標高向上約2 m位置向火側(cè)可見多處管子泄漏，外表面泄漏點如同針孔形狀，泄漏點管子四周均有，沒有側(cè)重某一側(cè)爐墻，部分水冷壁向火側(cè)出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，數(shù)次的水冷壁失效形貌特征類似。

對發(fā)生了穿孔處管子進行現(xiàn)場取樣，如圖1所示。從圖1（c）可以看出，穿孔處內(nèi)壁可見潰瘍狀腐蝕坑，呈腐蝕穿孔泄漏[1]，管子內(nèi)表面腐蝕層或氧化皮較厚，測量厚度約0.7 mm。對該管子進行切割取樣，切割過程伴有腐蝕物或氧化皮脫落，說明腐蝕物和氧化皮與管子銜接疏松。未泄漏處管子內(nèi)表面未見明顯腐蝕斑痕。

圖1 水冷壁鋼管腐蝕穿孔照片

2.2 壁厚測量及強度校核

測量圖1（b）中泄漏點1～泄漏點4及其附近的壁厚，結(jié)果見表1。由表1可知，腐蝕部位減薄1 mm，其他部位未見明顯減薄。通過壁厚校核計算分析，該水冷壁管最小需用壁厚為3.125 6 mm，滿足使用要求。

表1 水冷壁管壁厚測量結(jié)果

2.3 硬度測定

按照測厚點部位進行硬度檢測，硬度為120～130HB，硬度值正常。

2.4 金相分析

對圖1（b）腐蝕穿孔管子中腐蝕最嚴重部位和完好部位分別制取試樣，鑲嵌后進行金相分析。腐蝕部位試樣的縱截面晶界清晰，珠光體未見球化，晶粒度大小正常。腐蝕部位試樣的橫截面屬于傾向性球化，鐵素體晶界不明晰，珠光體球化等級評定為2級；同時測得管子內(nèi)表面氧化皮厚度為0.59 mm；并對內(nèi)表面邊界金相1 000倍組織分析，發(fā)現(xiàn)由內(nèi)表面向材料內(nèi)部延伸有沿晶的微裂紋。并對無腐蝕部位制取試樣，進行金相組織分析，晶界清晰，晶粒度正常，珠光體未見球化，鍋爐水冷壁管金相分析照片如圖2所示。

依據(jù)DL/T 674—1999《火電廠用 20號鋼珠光體球化評級標準》分析可知，取樣管未見珠光體球化現(xiàn)象或珠光體傾向性球化，20G珠光體球化現(xiàn)象不明顯。通過高倍顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，由內(nèi)壁向材料內(nèi)部延伸有沿晶微裂紋。

2.5 力學性能分析

對腐蝕穿孔管的向火面取樣進行力學性能分析，結(jié)果見表2。試驗結(jié)果滿足GB 5310—2008對20G材料拉伸性能的要求。

2.6 脹粗測量

腐蝕穿孔管子實測管外徑最大值60.8 mm，均未見明顯脹粗。

2.7 相關(guān)承壓部件宏觀檢查

圖2 鍋爐水冷壁管金相分析照片

表2 腐蝕穿孔水冷壁向火面水冷性能

檢查發(fā)現(xiàn)：鍋筒內(nèi)表面布滿水垢，水側(cè)尤為嚴重，呈乳白色軟垢，最厚處約1.5 mm，部分旋風筒傾倒、移位；減溫器內(nèi)部布滿水垢，較嚴重，呈白色硬垢；省煤器入口集箱內(nèi)堆積了大量泥渣（如圖3所示）?？梢钥闯?，鍋爐汽水品質(zhì)差，白色水垢說明水垢的化學成分主要是鈣鎂水垢，鈣鎂水垢造成鍋水的硬度偏大[2]。

圖3 鍋爐各主要部件內(nèi)部新狀況

2.8 缺陷原因分析

爐膛四周水冷壁管排排列整齊，未見異常變形；數(shù)次泄漏水冷壁形狀特征類似，呈腐蝕穿孔狀泄漏，部分管壁有鼓包，上述缺陷均發(fā)生在向火側(cè)內(nèi)壁。

對腐蝕穿孔管子取樣，泄漏部位內(nèi)表面有潰瘍狀腐蝕坑，呈貝殼狀向下凹陷；硬度值在正常范圍，力學性能正常，未見明顯脹粗；金相組織基本正常，未見珠光體球化或珠光體傾向性球化現(xiàn)象，邊界向材料內(nèi)部延伸有沿晶的微裂紋；檢測結(jié)果符合垢下腐蝕機理特征[3]。硬度超標的水質(zhì)環(huán)境正好吻合了垢下腐蝕的腐蝕機理。

鍋筒、減溫器、省煤器及水冷壁內(nèi)表面的較厚氧化皮或腐蝕層均說明鍋爐的汽水品質(zhì)惡劣[4]。從鍋筒、減溫器內(nèi)表面的白色水垢可以分析出水的硬度大[5]。

長期低負荷運行熱偏差大，勢必減緩水冷壁的水循環(huán)速度，使水循環(huán)被破壞，造成局部超溫，加速了水冷壁管的腐蝕，腐蝕產(chǎn)物增厚又加速了局部超溫，二者相互影響導致了水冷壁大面積泄漏、鼓包。長期低負荷運行，加速了水冷壁管的腐蝕，又使得高壓加熱器無法投入，造成給水溫度比設計值低100℃，必然造成某些受熱面超負荷吸熱，影響其材質(zhì)安全。

分析結(jié)果表明，垢下腐蝕導致了水冷壁管失效，鍋爐水質(zhì)不達標和長期低負荷運行等不規(guī)范運行是造成本次水冷壁管失效的直接原因[6]。實踐表明，在高壓等級范圍的電站鍋爐，當水質(zhì)不達標時容易發(fā)生類似缺陷[7-9]。

3 事故預防與改進

3.1 提高技術(shù)人員水平

從唐山地區(qū)的水冷壁失效事故發(fā)現(xiàn)，事故多發(fā)生在企業(yè)新建的自備電廠，尤以高參數(shù)鍋爐多發(fā)。當前，電站鍋爐數(shù)量穩(wěn)步增加，自備電廠是增量主體，自備電廠人員流動性大，有經(jīng)驗的技術(shù)人員緊缺，人員匹配數(shù)量少，對同一機組特性掌握的傳承性差，管理體系提升速度滯后。當前各自備電廠新建的鍋爐多數(shù)為高參數(shù)鍋爐，而相關(guān)管理和運行人員多數(shù)是中壓機組人員，缺乏高參數(shù)鍋爐工作經(jīng)驗；高壓參數(shù)鍋爐材料較復雜，各自備電廠普遍缺乏專業(yè)的金屬監(jiān)督人員和化學監(jiān)督人員。類似水冷壁垢下腐蝕事故在上世紀80年代為常見事故，現(xiàn)在類似事故在各大專業(yè)電廠已經(jīng)很少發(fā)生，但是自備電廠卻屢次發(fā)生。因此，提高操作人員素質(zhì)和鍋爐管理水平是自備電廠避免事故的當務之急。

3.2 加強檢修、改進不合理的負荷波動

為了多創(chuàng)效益，電站鍋爐的啟停不完全由發(fā)電分廠直接控制，實際上自備電廠基本上不安排計劃停爐，非計劃停爐期間安排的檢修時間較短，導致鍋爐檢修不足，增加安全運行隱患。由于各自備電廠鍋爐燃料多為廢氣再利用，燃料供給波動大，導致鍋爐負荷頻繁波動，增加了運行難度，燃料供應不足導致的長期低負荷運行是影響鍋爐安全運行最大的安全隱患。這些都增加了水冷壁泄漏事故的發(fā)生頻率。新增爐型在設計方面難免存在缺憾，也是目前鍋爐發(fā)生泄漏的原因之一。

4 結(jié)束語

通過事故原因分析，認為垢下腐蝕是導致電站鍋爐水冷壁管失效的主要原因。鍋爐水質(zhì)不達標且長期低負荷運行等不規(guī)范運行使水冷壁管形成較厚的且不均勻的水垢，硬度超標的水質(zhì)環(huán)境正好適合垢下腐蝕的腐蝕機理，因此在高壓等級范圍的電站鍋爐，當水質(zhì)不達標時容易產(chǎn)生水冷壁管頻繁腐蝕穿孔。

預防水冷壁管垢下腐蝕的措施是加強化學監(jiān)督工作。落實日常的水質(zhì)化驗制度，對已結(jié)垢的水冷壁管進行化學清洗。運行期間，重點關(guān)注凝汽器泄漏后給水硬度超標問題，加強給水含鐵量的檢測與控制[10]。停爐期間做好停爐保養(yǎng)工作，避免出現(xiàn)因大氣腐蝕造成針狀腐蝕穿孔事故。

[1]沈國清，高憲波，安連鎖，等.Chan-Taylor協(xié)同定位算法在電站鍋爐泄漏定位中的應用[J].電力科學與工程，2014（3）：5-8.

[2]張?zhí)r，王志偉，張營，等.電站鍋爐省煤器出口水溫變化對過熱器溫度影響的計算方法研究[J].電力科學與工程，2006（2）：14-16.

[3]王來，馬海濤，韓雙起，等.熱電廠鍋爐水冷壁管爆管泄漏原因分析[J].金屬熱處理，2011，36（9）：36-40.

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[7]殷尊.超超臨界1000MW機組鍋爐水冷壁爆管原因分析[J].熱力發(fā)電，2013，42（7）：92-96.

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[9]趙昆.電站鍋爐承壓部件失效模式與風險評估研究[D].山東：山東大學,2014.

[10]GB/T 12145—2008，火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質(zhì)量[S].

Analysis of Frequent Corrosion Perforation of Power Station Boiler Water Wall

WANG Mingting1,2，LIU Jingxin2，ZHAO Bin1，WANG Huiquan2
（1.Institute of Metallurgy and Energy,North China University of Science and Technology,Tangshan 063000,Hebei,China；2.Tangshan City Special Equipment Supervision and Inspection Institute,Tangshan 063000,Hebei,China）

The leakage accident of water wall tube frequently occurred in high load area,in order to find the cause,it analyzed the water wall tube for the accident through consulting data,macroscopic examination,wall thickness measurement and strength check,hardness testing,metallographic analysis,mechanical performance analysis,measuring expansion and other methods.The results showed that the underdeposit corrosion is the direct reason lead to corrosion and perforation;poor quality steam water,low load operation and other unreasonable operation factors are the primary cause of frequent leakage of water wall.Practice showed that the power station boiler easily occurred similar defects in the high pressure range,when the water quality is not up to the standard.

corrosion;power station boiler;water wall；corrosion perforation;underdeposit corrosion

TK223.3

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.015

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目“電站鍋爐爐內(nèi)磨損部位預判研究及綜合防磨理論的創(chuàng)立”（項目號2014QK065）。

王明庭（1978—），男，本科，高級工程師，主要從事電站鍋爐檢驗工作。

2016－06－12

李紅麗