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电厂锅炉水冷壁管出现内腐蚀缺陷的原因与对策钟文扬

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：钟文扬曹长锁马海龙郭浩然

[导读] 摘要：电厂锅炉水冷壁管内部的水投入之前，会经过化学处理，防止出现水垢问题，然而从实际的实践成果上来看，即使经过了全面的水体处理，但是依然会由于一些因素的存在，导致在锅炉的长期运行中，逐渐出现内腐蚀现象，因此在具体的处理阶段，必须要能够通过对内腐蚀现象成因的分析之后，建立专业性的管理标准和维修制度。

        （华能营口仙人岛热电有限责任公司辽宁营口 115007）
        摘要：电厂锅炉水冷壁管内部的水投入之前，会经过化学处理，防止出现水垢问题，然而从实际的实践成果上来看，即使经过了全面的水体处理，但是依然会由于一些因素的存在，导致在锅炉的长期运行中，逐渐出现内腐蚀现象，因此在具体的处理阶段，必须要能够通过对内腐蚀现象成因的分析之后，建立专业性的管理标准和维修制度。
        关键词：电厂锅炉；水冷壁管；内腐蚀
        引言
        某电厂2号锅炉2019年4月连续发生两起水冷壁氢腐蚀造成的爆管停机故障，严重影响了机组的安全稳定运行。该电厂2号锅炉水冷壁钢管材质为20G，直径60mm，壁厚6.5mm，内部介质为饱和过热水汽混合物，压力约为17MPa。本文通过对该电厂2号锅炉水冷壁爆管失效原因进行分析，阐述氢腐蚀损伤机理，并提出防护措施，为在相似环境下服役电站锅炉的运行维护提供依据。
        1电厂锅炉水冷壁管出现内腐蚀缺陷的原因
        1.1故障基本情况
        本文的研究过程中，以某电厂的锅炉水冷壁管为研究对象，例：锅炉炉膛的周围由φ60×6.5毫米，节距为80毫米的管道组成，该区域内的所有管道材质为20G，炉膛的宽度为11.92米，深度为10.8米，高度为45米。水冷壁管整体上可以分为上部、中部、下部以及燃烧器区域四个部分，煤粉燃烧器的配置高度为14.4~20.2米，其中如果设定前后区域内的水冷壁下部管道倾斜度为50°，并且在其中构成的冷灰斗，向炉膛内部弯折3米，从而构成折焰角，前后和两侧的水冷壁管最终构成了四个回路，形成了16路循环系统。
        1.2金相分析
        从水冷壁爆口处切取样品，进行预磨、抛光、腐蚀之后，对其显微组织进行观察。钢管爆口处有大量沿晶裂纹，分布于整个管壁；在高倍显微镜下观察可见裂纹周边珠光体组织已基本消失，具有明显的脱碳现象。观察部位离爆口处越远，晶间裂纹逐渐减少，珠光体组织逐渐增多，在远离爆口处，其金相组织为正常的铁素体+珠光。对爆口管周边钢管取样进行显微组织筛查。部分水冷壁钢管内壁有大量结垢，结垢处部分管内壁有细小裂纹，这些微裂纹沿晶界分布，且裂纹周边还存在脱碳层；在近内壁处也有大量沿晶裂纹分布，这些裂纹破坏了晶间的联系，降低了管材的塑性和韧性，极大影响了运行中管材的安全性能。
        1.3外观检查
        金相检验使用体积分数为４％的硝酸酒精溶液浸蚀管试样，并对管试样地向火面、背火面及腐蚀坑附近进行观察。可见，管试样向火面和背火面的显微组织均为铁素体＋呈带状分布的珠光体，晶粒细小均匀，参照ＧＢ／Ｔ６３９４—２０１７《金属平均晶粒度测定方法》的技术要对其晶粒度进行评级，结果为７．５级，此外未见微裂纹和明显的非金属夹杂物聚集等其他组织缺陷；向火面内、外壁均未见明显脱碳层，内壁可见腐蚀产物附着；背火面内、外壁均未见明显脱碳层，内、外壁均可见明显氧化物。腐蚀坑底部覆盖着一层氧化腐蚀产物，显微组织未见珠光体球化，未见脱碳层、过热或其他组织缺陷。根据管试样的金相检验结果可知，钢管的显微组织满足ＧＢ／Ｔ５３１０—２０１７对２０Ｇ钢的要求；热轧钢管在制造过程中一般会在内、外壁形成一定厚度的脱碳层，在正常运行一段时间之后，钢管的脱碳层厚度往往会增加。
        1.4力学性能分析
        对爆漏水冷壁钢管取样进行常温拉伸试验，水冷壁钢管向火侧与背火侧力学性能均符合标准要求，但向火侧力学性能较背火侧低，接近规程要求的下限。这是由于向火侧管材因氢腐蚀受损产生微裂纹，降低了其力学性能。
        2内腐蚀成因
        炉管表面出现缺陷的成因可能包括应力断裂、疲劳磨损、腐蚀以及质量控制失误等，而所有的失效形式，成因和表现特征不同。对于应力断裂，主要是处于过热运行状态；疲劳失效则通常意味着有氧化皮和裂纹特征；管壁冲击磨损主要发生在管道的外壁区域，特征为管道的外壁厚度减小；高温腐蚀和低温腐蚀则主要集中和发生在烟气区域内，失效表现的宏观为出现坑穴状、麻点状的沟槽。

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在水垢出现之后，由于水垢本身具有极差的传热性，因此该区域的金属管壁温度会急剧提高，之后锅炉内的水会逐渐渗入到水垢下，会在该区域内发生急剧的蒸浓作用，炉水出现高度浓缩现象时，炉水中的氢氧根会在管壁中最终形成简化腐蚀环境，从而让水冷壁的内壁保护膜受到破坏。
        3水冷壁氢腐蚀机理
        锅炉正常运行时，水冷壁钢管内表面与无氧水接触，发生腐蚀进而形成保护膜。锅炉运行过程中，在水冷壁受热面会有水垢、铁的氧化物、磷酸盐沉积物形成内壁沉积层，一旦给水受到污染，造成给水pH值异常（酸污染），这些沉积层会阻碍因蒸发形成的浓锅炉水与稀锅炉水之间的对流；沉积层外的稀锅炉水受到沉积物的阻挡，不能与沉积层下受热浓缩的产物混合，形成局部浓缩造成垢下腐蚀。
        4处理建议
        4.1对水冷壁管缺陷部分进行大面积更换
        根据解剖测厚结果，水冷壁管存在大量结垢和大幅减薄，已基本不具备酸洗条件，由于四面炉墙工作环境基本相同，缺陷情况也基本相似，加之爆管区域的分散性，为保证机组安全运行，须对已发生腐蚀的水冷壁管缺陷段进行全面更换。为确定更换高度，对2#锅炉后墙甲往乙第58根、第115根进行扩大区域割管检查，发现自锅炉标高13m高度向下、33m向上部分，肉眼不可见水冷壁结垢情况，且内壁情况良好。确定锅炉四面墙共552根水冷壁管，自标高13~33m部分进行大面积更换，彻底消除水冷壁腐蚀减薄和管材球化缺陷。
        4.2构造自控系统
        自动控制系统的建设过程中，企业可以通过对整水冷壁管系统运行过程中所有参数的监管和记录，系统性分析当前系统运行过程中是否存在安全隐患。比如针对水质的检查系统，考虑到在管道的运行过程中，只是对于其中一些金属离子的沉降，最终形成了水垢，因此需要在系统内，全面配置针对这类离子的专业检查传感器，且该传感器要能够直接和报警系统与运行控制中枢关联，发现存在运行问题时，要第一时间发出警报信息，从而让所有的人员参与到对水质的进一步协调和处理工作。另外也需要对水冷壁管中的一些设施运行过程中，所存在的薄弱点加强检查，尤其是对于水冷壁管的温度，更是需要通过实时的监管工作，研究当前是否处于高稳定运行状态。
        4.3确保汽水品质稳定达标
        提高化学监督管理力度，化验站加强对炉水、给水及其他汽水品质的在线监督工作，严格按照操作标准执行化验步骤，仪表做好保养和定期标定，并由生产技术室每周执行至少3次抽样复检，确保合格的炉水品质。此外，增加锅炉定期排污频次，由以往每周3次定期排污，增加为每周5次，以控制炉水电导稳定达标，减少出现炉水品质不合格而被动调整的情况。
        结束语
        锅炉水冷壁腐蚀的原因非常复杂，水冷壁的高温腐蚀失效，并不是由单一原因引起的，而是由多种腐蚀原因共同作用的结果，如氯离子腐蚀通常与氢损伤同时存在，但通过一定的理论分析，可得出造成水冷壁高温腐蚀失效的主要因素。通过对水冷壁高温腐蚀形貌特征分析及合适检测手段，通常可以判定水冷壁高温腐蚀的类型，为作出合理有效的防范措施提供理论依据，如在发生高温腐蚀时，首先可通过失效管壁型貌宏观分析，然后通过金相实验、水质或管成分分析，结合不同腐蚀机理，确定高温腐蚀类别，根据不同的高温腐蚀作出相应的改进和防范措施。
        参考文献
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