曾 晶，張 超

（武漢鋼電股份有限公司，湖北武漢 430080）

前言

武漢鋼電股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“鋼電公司”）兩臺(tái)鍋爐系原武漢鍋爐廠生產(chǎn)WG-670/13.7-5超高壓、中間再熱煤粉鍋爐，采取全鋼梁懸吊結(jié)構(gòu)，配備中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)，布置4×4 組煤粉(水平濃淡分離低氮)燃燒器，具備摻燒高爐煤氣及焦?fàn)t煤氣能力。

自2019 年年底以來(lái)，1#鍋爐頻繁發(fā)生水冷壁泄漏故障，機(jī)組運(yùn)行安全性受到嚴(yán)重影響，多次發(fā)生因爆管導(dǎo)致一類強(qiáng)迫非計(jì)劃停運(yùn)。

1 故障及爐管缺陷基本情況

鋼電公司兩臺(tái)鍋爐爐膛四周由Ф60×6.5mm、節(jié)距S=80 mm 的管子組成膜式壁，材質(zhì)為20 G，爐膛寬11.92 m，深度10.8 m，高度45 m。水冷壁分為上、中、燃燒器區(qū)、下四部分，煤粉燃燒器布置高度為14.7～20.2 m。前后水冷壁下部管子傾斜50°構(gòu)成冷灰斗，后水冷壁上部向爐膛內(nèi)折3 m，形成折焰角。前后及兩側(cè)水冷壁各4 個(gè)回路，共形成16 路循環(huán)回路，布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 鍋爐水冷壁下聯(lián)箱及循環(huán)回路布置結(jié)構(gòu)圖

2019 年11 月起，1#鍋爐連續(xù)發(fā)生3 次水冷壁爆管情況，爆管后機(jī)組補(bǔ)水率急劇升高，補(bǔ)水量最大約增加了30 t/h，爐膛出口水平煙道處煙溫最大偏差達(dá)到150 ℃，參數(shù)變化提示爆口偏大，機(jī)組被迫進(jìn)行降壓運(yùn)行，甚至強(qiáng)迫非停，近3 次爆管情況見(jiàn)表1。

停爐檢查，事故爆管具有如下特點(diǎn)：

（1）爆口偏大，發(fā)生泄漏后，爐水泄漏量大，現(xiàn)場(chǎng)異音明顯，凝汽器補(bǔ)水量急劇升高；

表1 1#鍋爐水冷壁泄漏及處理記錄

（2）爆管高度位置相對(duì)一致，皆位于20 m 左右，處于燃燒器區(qū)域，該區(qū)域燃燒較為集中、溫度較高，區(qū)域輻射換熱強(qiáng)度高；

（3）爆管平面位置相對(duì)分散，除甲側(cè)墻外，其他三面爐墻皆有事故爐管，其分布位置基本無(wú)規(guī)律性。

2 檢查及檢驗(yàn)

2.1 外觀檢查

割管檢查：事故爐管割管口處背火側(cè)管內(nèi)肉眼觀測(cè)表面平滑、壁厚正常，向火側(cè)內(nèi)壁呈坑穴狀、含有黑色垢層、局部偏紅色。見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 爆口形態(tài)

圖3 管內(nèi)坑穴形態(tài)

解剖測(cè)厚：在對(duì)事故爐管及旁側(cè)隨機(jī)共取10根水冷壁管，編號(hào)為A1、A2、B1、B2、D2、E1、E2 的試樣，經(jīng)解剖后有明顯腐蝕坑，編號(hào)為C1、C2、D1 的試樣，經(jīng)解剖后有少量腐蝕坑。

選取E1 一處腐蝕坑進(jìn)行了測(cè)厚檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)E1 管道母材平均厚度為7.13 mm，腐蝕坑中最薄處壁厚為4.37 mm，減薄尺寸為2.76 mm。

2.2 金相分析

每件試樣，在內(nèi)、外壁各隨機(jī)選擇1處進(jìn)行了金相分析，經(jīng)表面金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)B1、B2 的試樣有局部組織為4 級(jí)完全球化現(xiàn)象（見(jiàn)圖4、圖5）。其他試樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)為二級(jí)到三級(jí)球化。具體為A2、B1、B2、D1 檢測(cè)為二級(jí)球化，A1、C1、C2、D2、E1、E2 為三級(jí)球化。

圖4 B1金相圖

圖5 B2金相圖

2.3 力學(xué)試驗(yàn)

每件試樣各取一組力學(xué)試樣進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)?？估瓘?qiáng)度（Rm）≥260 N/mm2（標(biāo)準(zhǔn)為≥245 N/mm2）、屈服強(qiáng)度（Rel）≥430 N/mm2（標(biāo)準(zhǔn)為≥410 N/mm2）、延伸率（A）≥34%（標(biāo)準(zhǔn)為≥25%）。抽取試樣所檢項(xiàng)目符合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上所述，所檢測(cè)試樣主要存在內(nèi)壁腐蝕和珠光體組織球化現(xiàn)象。

3 調(diào)查及原因分析

3.1 追溯調(diào)查

結(jié)合水冷壁宏觀檢查、金相分析以及力學(xué)性能，總結(jié)出上述缺陷水冷壁管有如下特點(diǎn)：

(1)缺陷水冷壁的內(nèi)表面附有大量水垢，且集中于向火側(cè)，背火側(cè)基本光滑；

(2)爐管外部形態(tài)基本正常，無(wú)明顯腐蝕特征?？友罡g發(fā)生于向火側(cè)水垢處，背火側(cè)管內(nèi)形態(tài)良好，無(wú)明顯缺陷；

(3)爐管力學(xué)性能正常，有明顯結(jié)垢特征的爐管皆伴隨有球化情況，球化等級(jí)不一致。說(shuō)明爐管內(nèi)部結(jié)垢后，20G管材的導(dǎo)熱系數(shù)變差，向火側(cè)管壁溫度高，結(jié)垢嚴(yán)重的爐管金屬球化速度加快。

開(kāi)展如下調(diào)查工作：

追查2016年1#機(jī)組大修時(shí)割管檢查結(jié)果，情況見(jiàn)表2：

表2 2016年1#機(jī)組大修時(shí)水冷壁割管檢查結(jié)果

從表2 可知，1#鍋爐爐管在2016 年割管檢驗(yàn)時(shí)，垢量已經(jīng)超標(biāo)，需要進(jìn)行酸洗除垢，但當(dāng)時(shí)因大修工期原因，實(shí)際酸洗工作未開(kāi)展。

隨機(jī)抽查2019 年9 月-12 月?tīng)t水品質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果情況，見(jiàn)表3：

表3 隨機(jī)抽查2019年年底1#鍋爐爐水水質(zhì)情況

由表3可知，爐水水質(zhì)主要指標(biāo)控制基本正常，雖偶有超標(biāo)，但能很快調(diào)整至達(dá)標(biāo)范圍。

3.2 原因分析

爐管向火面表面出現(xiàn)缺陷的可能原因主要為應(yīng)力斷裂、腐蝕、疲勞、磨損、質(zhì)量控制失誤（含外力影響）等，每一種失效形式起因及特征表現(xiàn)方式不一。應(yīng)力斷裂主因是過(guò)熱運(yùn)行；疲勞失效時(shí)伴有氧化皮、裂紋特征；管壁沖擊磨損發(fā)生于外壁，主要外觀特征為外壁減?。粻t管高溫腐蝕與低溫腐蝕發(fā)生于煙氣環(huán)境中，主要失效宏觀特征坑穴狀、麻點(diǎn)或淺溝槽，覆蓋有灰及鐵質(zhì)氧化物質(zhì)，發(fā)生部位在爐管外壁。

本案例中，由于缺陷水冷壁基本不存在過(guò)熱運(yùn)行工作環(huán)境、爐管外壁正常、無(wú)橫向裂紋等特征，加之綜合檢查分析情況并結(jié)合理化分析結(jié)果，判定此次集中性爆管故障原因?yàn)楣赶赂g（堿腐蝕）。鋼電1#鍋爐于1994 年投運(yùn)，運(yùn)行至今已經(jīng)有25 年，垢量日積月累加之爐水電導(dǎo)偶有超標(biāo)，根據(jù)表2 中結(jié)果顯示，水冷壁積垢量已經(jīng)超出正常范圍。

當(dāng)受熱面管內(nèi)壁有水垢時(shí)，由于垢的傳熱性很差，垢下金屬管壁的溫度升高，滲到垢下面的鍋爐水會(huì)發(fā)生急劇蒸濃，爐水的高度濃縮，爐水中的OH-在垢層下方富集，具有很強(qiáng)的侵蝕性，水冷壁內(nèi)壁保護(hù)膜受到破壞，鐵和水形成堿性電池，發(fā)生堿性腐蝕，伴隨有氧腐蝕（缺陷爐管內(nèi)部有黑紅色鐵氧化物等生成物）

電化學(xué)腐蝕主要化學(xué)反應(yīng)式為：

陽(yáng)極Fe -2e →Fe2+

陰極2H++2e →H2

垢層下方的生成的H2與鋼中的滲碳體反應(yīng)后鐵的體積縮小，結(jié)構(gòu)變化使得水冷壁管強(qiáng)度降低，加之垢層導(dǎo)致?tīng)t管工作溫度升高，球化速度加快，金屬管薄弱處無(wú)法承受管內(nèi)汽水介質(zhì)壓力，導(dǎo)致爆管事故發(fā)生。

4 改進(jìn)措施

4.1 對(duì)水冷壁管缺陷部分進(jìn)行大面積更換

根據(jù)解剖測(cè)厚結(jié)果，水冷壁管存在大量結(jié)垢和大幅減薄，已基本不具備酸洗條件，由于四面爐墻工作環(huán)境基本相同，缺陷情況也基本相似，加之爆管區(qū)域的分散性，為保證機(jī)組安全運(yùn)行，須對(duì)已發(fā)生腐蝕的水冷壁管缺陷段進(jìn)行全面更換。

為確定更換高度，對(duì)1#鍋爐后墻甲往乙第58根、第115根進(jìn)行擴(kuò)大區(qū)域割管檢查，發(fā)現(xiàn)自鍋爐標(biāo)高13 m 高度向下、33 m 向上部分，肉眼不可見(jiàn)水冷壁結(jié)垢情況，且內(nèi)壁情況良好。確定鍋爐四面墻共552 根水冷壁管，自標(biāo)高13～33 m 部分進(jìn)行大面積更換，徹底消除水冷壁腐蝕減薄和管材球化缺陷。

4.2 確保汽水品質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)

提高化學(xué)監(jiān)督管理力度，化驗(yàn)站加強(qiáng)對(duì)爐水、給水及其他汽水品質(zhì)的在線監(jiān)督工作，嚴(yán)格按照操作標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行化驗(yàn)步驟，儀表做好保養(yǎng)和定期標(biāo)定，并由生產(chǎn)技術(shù)室每周執(zhí)行至少3 次抽樣復(fù)檢，確保合格的爐水品質(zhì)。此外，增加鍋爐定期排污頻次，由以往每周3 次定期排污，增加為每周5 次，以控制爐水電導(dǎo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，減少出現(xiàn)爐水品質(zhì)不合格而被動(dòng)調(diào)整的情況。

4.3 扎實(shí)做好金屬監(jiān)督工作

水冷壁設(shè)計(jì)使用年限約10 萬(wàn)h，鋼電兩臺(tái)鍋爐水冷壁管實(shí)際已超過(guò)設(shè)計(jì)年限，加之機(jī)組啟、停次數(shù)相對(duì)頻繁，需進(jìn)一步強(qiáng)化金屬監(jiān)督力度，嚴(yán)格按照DL438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》、DL/T939-2005《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管道監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)則》中相關(guān)要求開(kāi)展金屬監(jiān)督工作。

在鍋爐檢修期間，有計(jì)劃性對(duì)受熱面管道進(jìn)行全面外觀質(zhì)量檢查，重點(diǎn)檢查腐蝕、鼓包、變形和裂紋情況，并對(duì)1#鍋爐未換管部分、2#爐四面爐墻進(jìn)行重點(diǎn)抽樣檢驗(yàn)，此項(xiàng)工作力度需加大，視檢驗(yàn)情況采取措施，可考慮對(duì)2#鍋爐水冷壁管進(jìn)行計(jì)劃性大面積更換。