張鴻武，岳增武，楊東旭，邵明星

（1.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，山東濟(jì)南 250002；2.山東電力研究院，山東濟(jì)南 250002）

水冷壁管是鍋爐的重要部件之一，用于吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量，使管內(nèi)介質(zhì)受熱蒸發(fā)，并起到保護(hù)爐墻的作用。其設(shè)計(jì)材料要求具有良好的熱傳導(dǎo)性、抗熱疲勞性能及抗高溫?zé)煔飧g性能，并要求耐磨性能、工藝性能良好，尤其是焊接性能良好。常用的材料有20G、St45.8、STB42、SA210C 等，其長期使用的最高壁溫應(yīng)≤450℃[1]。

某電廠鍋爐于2000 年1 月投產(chǎn)，系西班牙Foster Wheeler 能源公司設(shè)計(jì)制造的FWESA1189.2/17.14-1 型的亞臨界壓力、一次中間再熱、單汽包、自然循環(huán)、固態(tài)排渣的煤粉鍋爐。日前，鍋爐右側(cè)墻，標(biāo)高24 米處的水冷壁管發(fā)生泄漏，泄漏前爐水pH 值約在9.2～9.5 之間。水冷壁管的設(shè)計(jì)材料為SA210C，規(guī)格為?76mm×9mm，管內(nèi)介質(zhì)的設(shè)計(jì)溫度為350℃，工作壓力為18MPa。截至本次泄漏，已累計(jì)運(yùn)行約12 萬小時(shí)。

1 試驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

將泄漏的水冷壁管段取樣，對泄漏口縱剖，宏觀形貌特征如圖1 所示。

（1）泄漏點(diǎn)位于管子向火面焊縫處，呈長方形，長約21mm，寬約14mm（圖1a）。

（2）管子內(nèi)壁金屬表面上產(chǎn)生凹凸不平的腐蝕坑（圖1b），腐蝕坑處出現(xiàn)黑褐色腐蝕產(chǎn)物（圖1c）。

（3）焊縫內(nèi)表面錯(cuò)口（圖1d），根部未焊滿（圖1e），最深約為2mm。

（4）泄漏口附近管子外壁存在密集的周向裂紋，裂紋呈楔形由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋內(nèi)存在腐蝕產(chǎn)物（圖1f）。

1.2 化學(xué)成分檢測

表1 試樣的化學(xué)成分檢測結(jié)果 ωB/%

使用SPECTROTEST 定量光譜儀，對爆口管段進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果表1 所示。

圖1 泄漏處宏觀形貌

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME SA210《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管子》對SA210C 鋼的化學(xué)成分要求[2]，泄漏管段的各化學(xué)元素的含量均在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)。

1.3 金相分析

對泄漏管段縱剖面進(jìn)行金相檢測，打磨至600#金相砂紙，然后采用金剛石拋光劑對試樣進(jìn)行機(jī)械拋光，使用4%硝酸酒精溶液（每100ml 溶液中：分析純硝酸4ml、無水乙醇96ml）進(jìn)行浸蝕，浸蝕后用無水乙醇清洗，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。最后使用Axio Vert A1 金相顯微鏡對金相組織進(jìn)行觀察，并參照標(biāo)準(zhǔn)DL/T674-1999《火電廠用20 號鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)》對珠光體進(jìn)行球化評級[3]，檢測結(jié)果如下。

泄漏口邊緣的金相組織為鐵素體和碳化物，珠光體形態(tài)消失，碳化物呈球狀分布于鐵素體晶界與晶內(nèi)，珠光體球化評級5 級（圖2a）；距泄漏口邊緣5mm 處金相組織為鐵素體、珠光體和碳化物，珠光體內(nèi)的碳化物呈球狀聚集在晶界上，珠光體球化評級3～4 級（圖2b）；距泄漏口邊緣10 mm處金相組織為鐵素體、珠光體和少量碳化物，珠光體內(nèi)的碳化物呈球狀聚集在晶界上，珠光體球化評級3 級（圖2c）；距泄漏口邊緣15 mm 處金相組織為鐵素體和珠光體，珠光體形態(tài)明顯，珠光體球化評級1～2 級，存在周向裂紋，可見裂紋呈楔形由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋內(nèi)存在腐蝕產(chǎn)物（圖2d）。

距泄漏口邊緣20 mm 處（圖3a）、30 mm 處（圖3b）及泄漏口背面母材（圖3c）的金相組織均為鐵素體和珠光體，珠光體形態(tài)明顯，珠光體球化評級1～2 級；泄漏口背面焊縫的金相組織為晶粒粗大的魏氏組織（圖3d）。

圖2 金相組織

圖3 金相組織

1.4 XRD 檢測

取下水冷壁管內(nèi)壁腐蝕坑處的腐蝕產(chǎn)物，研磨成粉末，使用X'Pert Pro 型X 射線衍射儀進(jìn)行物相分析，設(shè)備參數(shù)為電壓40kV，電流40mA，陽極靶材為Cu 靶，檢測結(jié)果如圖4 所示，腐蝕產(chǎn)物的主要成分是Fe3O4。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

圖4 腐蝕產(chǎn)物的XRD 檢測結(jié)果

泄漏口管段的化學(xué)成分在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)，不存在材料錯(cuò)用或者化學(xué)成分不合格的情況。焊縫附近的管子內(nèi)壁腐蝕減薄嚴(yán)重，并發(fā)生泄漏，內(nèi)壁腐蝕坑處存在大量黑褐色腐蝕產(chǎn)物，黑褐色腐蝕產(chǎn)物主要物相為Fe3O4。

通過金相分析，發(fā)現(xiàn)焊縫處的金相組織為晶粒粗大的魏氏組織，而魏氏組織是鋼的一種過熱缺陷組織[4]，結(jié)合焊縫的宏觀形貌（存在錯(cuò)口和未焊滿），可見焊縫的焊接工藝不當(dāng)、焊接質(zhì)量較差；對比縱剖面上不同位置的金相組織球化的狀況，可發(fā)現(xiàn)距離泄漏口越近，珠光體球化程度越嚴(yán)重，這是由于水垢的導(dǎo)熱性能較差，附著在內(nèi)壁之后，嚴(yán)重影響了熱傳導(dǎo)，爐水不能很好地冷卻管壁，造成局部向火面金屬溫度升高，形成過熱[5]，使得泄漏口附近的管壁金相組織球化等級較高；管子外壁存在密集的向內(nèi)壁延伸的周向裂紋，裂紋內(nèi)部存在腐蝕產(chǎn)物，說明裂紋在本次泄漏之前就已存在。

分析認(rèn)為，焊縫的焊接質(zhì)量較差，焊縫處存在錯(cuò)口，并且根部存在未焊滿現(xiàn)象，造成局部汽水循環(huán)不通順，爐水通過時(shí)，流速降低，于此處產(chǎn)生渦流，垢物在此處沉積。水冷壁內(nèi)表面附著的水垢、腐蝕產(chǎn)物等沉積物是造成局部鍋水pH 值偏高、產(chǎn)生垢下腐蝕的必要條件。沉積物越多越易發(fā)生垢下堿性腐蝕[6]。當(dāng)垢物沉積后，熱傳導(dǎo)不良，管子壁溫升高，爐水在此處濃縮，pH 值升高。當(dāng)pH＞13 時(shí)，管壁金屬表面上的保護(hù)膜Fe3O4會與濃縮的爐水生成反應(yīng)如下[6]：

Fe3O4+4NaOH=2NaFeO2+Na3FeO2+2H2O

反應(yīng)生成的NaFeO2和Na3FeO2在高pH 值下可以溶解。

當(dāng)金屬保護(hù)膜溶解后，管子表面形成濃差電池，生成反應(yīng)如下[6]。向火面成為陽極，反應(yīng)為：

Fe-2e-=Fe2+

背火面成為陰極，反應(yīng)為：

2H++2e-=H2

反應(yīng)生成的Fe2+與爐水中的OH-發(fā)生如下反應(yīng)：

Fe2++2OH-=Fe（OH）2

由于Fe（OH）2是不穩(wěn)定的，進(jìn)一步和爐水中的O2發(fā)生反應(yīng)：

4Fe（OH）2+2H2O+O2=4Fe（OH）3

Fe（OH）2+2Fe（OH）3=Fe3O4+4H2O

當(dāng)Fe3O4沉淀物（水垢）附著在向火面金屬內(nèi)壁（陽極）后，由于水垢的阻擋，沉淀物外部的爐水不能和沉淀物下濃縮的爐水混合，造成沉淀物下爐水進(jìn)一步的局部濃縮，加劇了沉淀物下金屬內(nèi)壁的不斷腐蝕，逐漸形成凹凸不平的腐蝕坑，使管壁不斷減薄，直至泄漏。

本次泄漏的位置位于吹灰器附近，吹灰器存在冷凝水，當(dāng)吹灰器工作時(shí)，冷凝水噴到高溫的管子外表面，造成短時(shí)間的急冷，使管壁溫度急劇交替變化，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，造成了塑性變形損傷累積，形成熱疲勞，在外壁產(chǎn)生密集的周向裂紋，但裂紋并未穿透管壁，不是本次泄漏的主要原因。

電站水冷壁管長期在惡劣的工況下運(yùn)行，發(fā)生爆管泄漏是較為常見的事故[7]，其中垢下腐蝕就是最為常見的原因之一[8]。在鍋爐運(yùn)行過程中，由于內(nèi)部介質(zhì)的冷卻作用，水冷壁管本身溫度并不高，但因凝汽器泄漏或給水處理設(shè)備故障造成給水中含有過量鹽分和氧時(shí)，水垢易沉積在熱負(fù)荷較高的水冷壁管向火側(cè)內(nèi)壁，形成垢下腐蝕。積垢又使傳熱惡化，加速垢下腐蝕[9]，導(dǎo)致惡性循環(huán)，直至泄漏。

3 結(jié)論

（1）綜合以上分析，本次泄漏的原因?yàn)榫植抗赶聣A性腐蝕。

（2）為保障鍋爐的安全運(yùn)行，在全面分析爆管原因后，根據(jù)其特點(diǎn)，提出如下幾個(gè)建議：1）利用停爐的機(jī)會，進(jìn)行酸洗，及時(shí)清除各種水垢及腐蝕產(chǎn)物；檢查吹灰器附近的管子，是否存在熱疲勞，對產(chǎn)生了疲勞裂紋的管子根據(jù)吹損及裂紋嚴(yán)重程度進(jìn)行逐批更換；2）提高焊接質(zhì)量，保證良好的汽水循環(huán)；3）按照GB/T 12145-2008《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》的要求，加強(qiáng)對爐水的化學(xué)監(jiān)督，控制好爐水的pH 值，提高爐水和蒸汽的品質(zhì)[10]。