电厂锅炉内螺纹水冷壁管失效分析

李生德

（大连市锅炉压力容器检验研究院，辽宁 大连 116013）

·探讨与创新·

电厂锅炉内螺纹水冷壁管失效分析

李生德

（大连市锅炉压力容器检验研究院，辽宁 大连 116013）

通过宏观形貌、化学成分、微观组织分析等手段，对某电厂锅炉内螺纹水冷壁管爆管原因进行了综合分析。判定该水冷壁管失效、管内壁焊缝处大量结垢的原因并提出改进建议。

爆管；结垢；氢脆；失效分析

某热电厂1＃锅炉是亚临界中间再热强制循环汽包锅炉，型号为CE-1150，该锅炉额定过热蒸汽出口温度为541℃，额定工作压力为17.25MPa。

2015年10月，该锅炉在运行中，20m标高处，后墙水冷壁管左数第118根发生爆管。该位置水冷壁管规格φ45mm×5.2mm，材质为SA210-A1，管型为内螺纹管。水冷壁额定工作压力为20.19MPa，工作温度350℃。经确认，该处水冷壁管于2013年5月进行了整体管排更换。

一、检验内容和方法

图1 水冷壁破口整体形貌

图2 水冷壁破口内壁形貌

2.材料化学成分分析

取向火面试样进行化学成分分析，分析结果见表1。试样材质符合AST M标准SA210-A1钢管化学成分的规定。

表1 水冷壁管试样的化学成分分析结果

3.水冷壁管微观组织分析

（1）微观形貌分析（未腐蚀）

垢下蚀坑区域存在数量较多的微裂纹（图3），裂纹沿晶界发展。破口边缘的管壁有很多的微裂纹，分布较深。而背火面内壁未见明显的微裂纹。同时水冷壁管材组织中也未见明显的夹杂物等缺陷。

（2）组织形貌分析（硝酸酒精溶液腐蚀）

向火面蚀坑区域内壁微观组织为铁素体＋珠光体，为20G正常组织，珠光体形态保持较好，组织基本没有发生劣化（图4）。未腐蚀微观组织中所发现的向火面内壁存在的大量微裂纹，在腐蚀后已经看不清楚，这是由于微裂纹都是沿晶的，样品腐蚀后，被晶界所覆盖。

4.断口形貌扫描电镜分析

通过对断口形貌的扫描电镜观察和分析，断口具

1.水冷壁破口的宏观形貌

破口发生在向火面，长约130mm，最宽处约10mm，破口起始于焊口上方20mm处，边缘未见明显的塑性减薄，宏观形貌呈现较明显的脆性开裂特征（图1）。破口内壁一侧有明显的腐蚀减薄区，另一侧有明显的腐蚀物积垢层（图2），去掉积垢层，即可见与减薄区相似的特征，说明该管段在运行时开裂部位产生了明显的腐蚀积垢现象。另外，管内壁焊接处有明显突起的焊瘤存在。有明显沿晶脆断特征，晶界存在有明显的沿晶二次裂纹（图5）。为典型的脆性断口。

图3 向火面内壁微观形貌（×200）

图4 向火面内壁组织形貌（×200）

图5 断口扫描电镜形貌分析

二、水冷壁管失效原因综合分析

1.水冷壁管破坏机制分析

锅炉受热面管失效多数由以下因素引起的：管材质量、短时超温、长时超温、机械磨损、腐蚀与氧化、氢损伤等，还可能是以上几种因素共同作用的结果。

本次爆管的水冷壁管段向火面管材内壁附着有一层较厚的积垢，有的部位垢层已脱落。垢层脱落区域的管材壁厚已经因腐蚀严重减薄。

从微观组织分析，向火面垢层管材内壁有许多的沿晶裂纹，且破口裂纹周围存在大量的微裂纹，根据裂纹特征判定为垢下氢腐蚀所致。

2.水冷壁管垢下腐蚀机制分析

水冷壁管在高温下工作，水蒸汽与铁元素接触发生如下反应：

正常情况下，反应生成的[H]将被循环的水、水蒸汽带走，不会渗透到水冷壁管材中，生成的Fe3O4覆盖在水冷壁管的内表面，形成致密的保护膜，有效抑制管材腐蚀。

而当运行工况出现异常时，情况会发生变化。由于焊接突兀或凹陷的焊缝使平滑的炉管表面出现的几何形状不连续，水循环在此处发生紊流，破坏了保护膜的形成，同时此区域成为各种垢、盐等物质的沉积场所，而积垢又为氢原子聚集提供了条件。如[H]不能很快被水、水蒸汽带走就会造成水冷壁管氢腐蚀。本分析管段正是由于焊接处焊瘤的存在，导致焊缝附近严重积垢，进而产生氢腐蚀。

氢腐蚀是一种脱碳过程。在水冷壁管内表面，氢原子通过晶界向钢材内扩散，这些固溶于钢中的氢原子和钢中的碳化物发生化学反应：

上述反应均生成甲烷CH4，聚集在晶界原有的微观空隙内。随着反应不断进行，气体在局部形成的内压力逐渐增高，于是晶界发生开裂，形成微裂纹，使钢的性能急剧降低，局部承载能力大为降低。当管壁的有效厚度不足以承受内压，水冷壁管产生破口泄漏。

三、结语

水冷壁管的泄漏失效主要原因是氢腐蚀造成的，而管内壁向火面焊缝处造成大量结垢是造成氢腐蚀损伤的前提和基础。

首先，建议停炉时对工况条件类似的水冷壁管进行检查，特别是高热负荷区焊缝附近管段，及早发现此处萌生的缺陷。其次，为了提高内螺纹水冷壁管内壁抗腐蚀能力，水冷壁管在焊接时应严格执行相关标准，避免因接头质量问题而引起积垢。第三，加强水质监督，检测，确保炉水的水质满足相关标准的要求。

[1]刘喜文，刘长禄，傅强等.循环流化床锅炉水冷壁管失效原因分析[J].中国特种设备安全，2010（9）:68-69.

[2]孙春生，野颖.超高压电站锅炉水冷壁管失效分析[J].金属热处理，2011（9），286-289.

TK223.3+1

B

1671-0711（2016）04-0051-02

2016-03-14）