姚勇
广东省特种设备检测研究院佛山检测院 广东佛山 528000
摘要：某发电厂1台垃圾焚烧炉突然发生炉膛顶棚水冷壁爆管事故。分析认为水冷壁爆管应为高温腐蚀减薄导致失效。提出了采用喷涂高温耐腐蚀涂层等几点建议。
关键词：垃圾焚烧锅炉 水冷壁管 高温腐蚀 爆管 高温耐腐蚀涂层
一、概 述
2015年8月1日下午，佛山市某有限公司一厂5#垃圾焚烧炉突然发生爆管事故导致紧急停炉。
该锅炉为四川川锅锅炉有限责任公司生产的CG－500-48.3/4.0/450－LJ型发电锅炉，该锅炉是单锅筒自然循环水管锅炉，前吊后支、室内布置、微负压运行的锅炉，锅炉设置在焚烧炉上方，以回收焚烧所产生的热量为目的。焚烧炉排为日本三菱重工的马丁炉排，炉排上方是由φ60×5mm，材料为20/GB3087-1999的锅炉管组成的膜式水冷壁，烟气在水冷壁中经过三个垂直辐射通道和1组蒸发器后进入卧式布置的水平对流区域，在水平对流区域烟气依次经过三级五组过热器，经过渡烟道后进入立式支撑布置的两级四组省煤器，最后排入烟气处理设备。该炉于2011年9月安装完成并投入使用，至爆管发生时已运行约3万小时。
经停炉检查发现，炉膛顶棚水冷壁管发现有一处爆口。为弄清该处水冷壁发生爆管事故的原因，以便采取有效措施避免再次发生同类事故，佛山市某有限公司委托我院对5#炉顶棚水冷壁爆管进行失效分析。我院对爆管的水冷壁管进行取样，通过对样品进行爆口宏观分析、壁厚测定、胀粗量检测、化学成分分析、力学性能测试、硬度测定、金相检验等技术检测，结合该炉运行技术资料，得出了水冷壁爆管失效的原因，并给使用单位提出了相应的意见和建议。
二、事故概况
2015年8月1日下午，一厂5#炉突然发生爆管事故。经立即停炉检查发现，发生爆管的管子为约29.06米标高的前墙顶棚水冷壁管（详见图1），炉顶中部共有4个吊装孔，其中炉前左起第一个吊装孔往右数第1根管（即炉左起第39根）弯头部位有一较大爆口。爆管水冷壁规格为φ60×5mm，材质为20（GB3087-1999），锅筒工作压力为4.4MPa，爆管处的水冷壁工作压力约为4.4MPa，对应的饱和蒸汽温度为257℃。
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三、检验内容和分析
为弄清水冷壁管爆管原因，分别对顶棚水冷壁管取样进行失效分析，并对送检样品管分别进行了爆口宏观形貌分析、壁厚测定、胀粗量检测、化学成分分析、力学性能测试、硬度测定、金相检验等检测技术，对该锅炉安装及运行记录进行了核查。
3.1 爆口宏观形貌分析
顶棚管水冷壁爆口宏观形貌分别见图2和图3。将送检样品管分别标为弯1和直2，两管向火侧外表面均覆盖有一层黑褐色腐蚀产物，经对两样管向火面打磨除锈后可以看到，向火面呈灰黑色，表面不光滑，有较多麻点状凹坑，直管无明显局部冲蚀痕迹。破口位于弯管向火侧弯头正下方位置，破口呈细长条形，长约50mm，稍微有一点翻边，破口附近区域管壁减薄非常明显；管内壁较光滑，未见明显腐蚀和水垢；管径无明显塑性变形和胀粗，但两管向火面管外壁较平，管的外圆弧已不明显；经对两管横截面（见图4）进行观察，可以明显发现向火侧中间部位的管壁出现明显减薄。从爆口宏观形貌来看，具有较明显的腐蚀减薄的爆管特征。
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3.2 壁厚测定
经对送检样管进行壁厚测定，测点位置及测厚结果详见附件1。从测厚结果来看，背火面管壁厚度最薄处为4.87mm，未发现减薄；两管向火面均出现明显减薄，弯1向火面远离爆口部位最薄处为1.66mm，直2向火面中部最薄处为1.18mm，查强度计算书可知，水冷壁直管理论计算壁厚为1.29mm，最小壁厚已不满足强度计算中直管理论计算壁厚的要求。
3.3 胀粗量测量
经对送检样管沿截面十字方位进行内壁胀粗量测量，直2管内径分别为49.50mm、50.00mm，弯1内径分别为49.60mm、50.00mm，从测量结果来看，样管均未出现胀粗管，内壁沿鳍片方位内径均为50.00mm，向火-背火方位管径均为49.55左右，该方位管径稍微变小。
3.4 化学成分分析
经对顶棚水冷壁管样品进行化学成分分析，检测结果见表1。
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从检测结果来看，爆口水冷壁管化学成分未发现异常，符合GB3087-1999标准的相关要求。
3.5力学性能检测
由于送检样管向火面管壁太薄，无法取样进行力学性能测试，故该部分内容未做。
3.6 硬度检测
通过对送检样管截面的向火面及背火面分别进行硬度测量，从检测结果可以看出，硬度值均为20#钢的正常值，未出现异常。
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3.1.7 金相分析
通过对弯1管横截面进行取样，并对向火侧和背火侧的内外壁分别进行金相分析，金相图的放大倍数均为400倍。弯1管水冷壁向火侧和背火侧内外壁金相组织均为正常的铁素体+珠光体组织，珠光体均呈带状，为2级带状组织；整个水冷壁管截面的金相组织均未出现明显的珠光体球化或晶粒变大等过热迹象、未发现明显的脱碳层。
3.3 安装及运行记录审查
该公司一厂2011年同期共安装三台同一型式的锅炉，5#炉于2011年9月安装完成并投入使用，至爆管发生时已运行约3万小时。运行期间未进行过较大的维修和改造，水冷壁未发生过爆管事故。
经对该锅炉的运行记录进行审查，至8月1日下午爆管发生时为止，该炉主蒸汽压力基本维持在3.38~3.93MPa之间，主蒸汽流量维持在25~49t/h，处于较低负荷的稳定运行状态，未发现超温、超压运行记录；锅炉水质未发现异常。
四、顶棚水冷壁爆管特征及爆管原因
由于本次5#炉顶棚水冷壁管的爆口具有以下特征：
（1）顶棚水冷壁管破口呈细长条形，稍微有一点翻边，破口附近区域管壁减薄非常明显。向火侧外表面覆盖有一层黑褐色腐蚀产物，表面除锈后可以看到，向火面呈灰黑色，表面不光滑，有较多小的腐蚀坑，无明显冲蚀痕迹，管内壁无明显腐蚀及水垢，
（2）壁厚测定显示整个向火面中部沿轴向出现带状减薄，减薄范围覆盖整个送检样管，最薄处为1.18mm，管径无胀粗。
（3）管材的化学成分及硬度检测均未发现异常。
（4）爆口管横截面向火侧及背火侧内外壁的金相组织正常，未发现晶粒变大、珠光体球化或脱碳等过热迹象，材质未出现劣化现象。
从上述分析并结合爆管特征，可推断出，本次5#炉水冷壁爆管应为高温腐蚀减薄导致的失效。
五、顶棚水冷壁管高温腐蚀减薄原因分析
高温腐蚀是指炉膛内的水冷壁管在高温烟气的环境里, 具有较高的管壁壁温度时所发生的锈蚀现象。城市生活垃圾作为一种燃料，成分复杂，具有发热值低且含水量高，质地相当低劣，燃烧产生的高温烟气中含有更多种类且浓度更高的腐蚀性介质，其腐蚀环境十分复杂，垃圾焚烧炉中的高温腐蚀类型除氧化类型外，还有CO腐蚀、H2S/SO2引起的硫腐蚀、焚烧灰和熔融灰引起的熔盐腐蚀，以及氯介质引发的氯化腐蚀，相关的腐蚀机理复杂种类繁多。
垃圾焚烧时不仅会产生各种酸性气体和盐类蒸汽，伴随着烟气的还有大量成分的飞灰颗粒，具有强烈腐蚀性的复杂气体和氯化物与硫酸盐及飞灰颗粒，在高温下通过气、液、固多相作用对受热面金属管壁进行腐蚀。再加上顶棚水冷壁壁温高达650℃~700℃左右，垃圾燃烧中产生的碱金属氯化物盐、硫酸盐可处于熔融态，并粘附于水冷壁表面，这些熔盐会不断腐蚀水冷壁表面光滑致密的氧化膜保护层，再加上灰粒的冲蚀、烟温的波动，导致顶棚水冷壁外表面层状致密的氧化膜破裂并变得疏松多孔，大大降低了氧化膜的附着性，从而造成氧化膜分层脱落并加速管壁的腐蚀。
根据对垃圾焚烧炉水冷壁高温腐蚀位置（见图5）的相关研究显示，从各位置的腐蚀速率分布可以发现，顶棚水冷壁平均腐蚀速率在前后方向和左右方向都出现不均匀现象，中间区域腐蚀大于左右两侧，D、G位置比其它位置腐蚀更严重。这是因为炉膛出来的烟气由于扰动不均等原因造成顶棚水冷壁中部区域热负荷较周围区域高、中部烟气流动较周围快，从而造成中部区域温度过高和烟速过快，使得氯化物和硫化物对中部金属管子的腐蚀速度较其它区域快。顶棚烟温和烟速沿烟道的前后方向和宽度方向呈现出的不均匀分布是造成腐蚀速率空间分布不均匀的主要原因。
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六、结论
综上所述，本次5#炉顶棚水冷壁爆管主要是由于高温腐蚀减薄至强度不足导致的爆管失效。
七、建议和意见
由于垃圾焚烧炉水冷壁高温腐蚀具有腐蚀面积广，且有顶棚区域腐蚀速率大于四围，顶棚中间区域腐蚀速率大于顶棚两侧，腐蚀速率分布不均匀等规律，根据本次顶棚水冷壁爆管的原因分析，我们提出以下意见和建议：
（1）应立即搭架对顶棚中间部位的向火面水冷壁全部进行仔细检查和壁厚测定，对减薄严重的水冷壁管及时进行更换，若减薄范围较大应制定计划对整个顶棚水冷壁区域进行全部更换。
（2）垃圾焚烧炉水冷壁的管高温腐蚀虽不可避免但可以采取措施减缓，减缓水冷壁高温腐蚀方法可从运行（控制烟温、烟气流速）、清灰、添加碱金属和采用高温耐腐蚀涂层方面考虑。