电站锅炉水冷壁管腐蚀失效分析

程明辉 刘 杰

（浙江省特种设备检验研究院 杭州 310000）

近年来由于锅炉水冷壁管失效引发的事故时有发生，对锅炉机组的安全经济运行构成了严重的危险。除了管材材质和焊接质量的问题外，腐蚀性介质的腐蚀是产生水冷壁爆漏的主要诱发因素。

某热电厂一台循环流化床UG-130/5.3-M6型锅炉，膜式水冷壁规格为φ60mm×5mm，材质是20G，累计运行时间达60000余h，近年来发生多起水冷壁爆管事故。

为探究事故成因，在宏观分析的基础上取水冷壁管内壁向火侧局部腐蚀的管段进行理化分析，把腐蚀孔洞区域3等分为#1、#2和#3试样。对#1和#3试样横截面经粗磨、精磨、抛光、腐蚀(4%硝酸酒精溶液)后观察金相组织，对#1和#2试样横截面观察扫描形貌，同时对剥落的腐蚀产物进行XRD成分分析和能谱分析。

1 宏观分析

检查中发现多根高温区水冷壁管向火侧的管内壁发生局部腐蚀，背火侧内壁无腐蚀现象。腐蚀管段位于水冷壁前墙，靠炉右中部。水冷壁管向火面内壁腐蚀的宏观形貌如图1所示，可以看出，内壁形成局部腐蚀坑，腐蚀产物外表面呈层状剥落，整体呈灰黑色，此外，管内壁均匀分布点蚀坑。

2 金相分析

图2为#1试样500倍光学显微镜下横截面腐蚀段显微组织形貌。从中可以看出母材显微组织为铁素体+珠光体，珠光体均匀分布于铁素体基体上，晶粒度平均为10级；腐蚀产物呈现分层现象，腐蚀分为两个阶段，紧贴着母材的是腐蚀产物A，然后是腐蚀产物B，可以看出A、B之间结合不紧密，存在微孔。

图1 水冷壁管内壁形貌

图2 500X下#1横截面腐蚀段显微组织形貌

图3、图4为不同放大倍数下#3试样腐蚀段显微组织形貌，图3显示试样外表面有轻微脱碳现象，脱碳层深度约为0.3mm。图4显示腐蚀区域A内部存在断层，母材显微组织为铁素体+珠光体，分布比较均匀，晶粒度为10级。

图3 50X下#3横截面腐蚀段显微组织形貌

图4 200X下#3横截面腐蚀段显微组织形貌

3 XRD分析

XRD分析结果表明其特征峰值与Fe3O4的特征峰值吻合，Fe3O4含量约100%，见图5。

图5 试样XRD特征峰值和Fe3O4标准特征峰值对比图

4 扫描电镜分析

图6、图7、图8显示A腐蚀产物和母材之间存在孔洞，说明腐蚀产物和基体之间的结合并不紧密。

图9、图10、图11显示腐蚀产物A内部存在开裂现象。

图6 #1试样100X横截面扫描形貌

图7 #1试样500X横截面扫描形貌

图8 #1试样2000X横截面扫描形貌

表1 A、B处元素分析

图9 #2试样100X横截面扫描形貌

图10 #2试样500X横截面扫描形貌

图11 #2试样5000X横截面扫描形貌

5 能谱分析

图12为腐蚀产物横截面线扫描图，从线扫描可以推断，紧贴金属壁面的黑色腐蚀产物是FeO。

6 综合分析

从腐蚀形貌上看该腐蚀形态属于点蚀，点蚀多发生在表面生成氧化膜或钝化膜的金属材料上[1]，水冷壁管里有大量氧和一定量的氯离子，是产生点蚀的必要条件[2]。在氧化剂的作用下，由于腐蚀性阴离子的吸附富集作用，金属的表面膜(如氧化膜)会在特定点发生溶解而形成蚀孔。

腐蚀机理如下：

通过能谱分析可以看出该腐蚀产物中含有微量的Cl-，而金相中的腐蚀剂是采用4%硝酸酒精，不含Cl-，因此可以判断出所含Cl-为介质所带入。Cl-具有促进铁氧化的能力，当Cl-浓度较低时，反应主要在水冷壁基体表面进行，电化学反应生成Fe(OH)2，Cl-作为催化剂使氧化速率加速。反应生成了Fe(OH)2，继而生成粘着性的Fe3O4，疏松的堆积在蚀坑周围或进人水中。

图12 腐蚀产物横截面线扫描

化学反应方程式：

氢氧化亚铁沉淀的水溶液加热到70℃以上，进行缓慢的氧化[3]，就可以得到四氧化三铁。

该锅炉的运行记录显示锅炉运行时水质正常，但因生产原因该锅炉两年来只运行了约2800h，启停2次，大部分时间处于停炉保养状态，停炉期间采用余热烘干法进行保养，放水烘干后未加干燥剂。该厂5台锅炉系统为母管制运行，查阅外检报告得知该台锅炉的主蒸汽阀门和集汽集箱向空排汽阀存在内漏现象，导致锅炉停炉保养期间不能完全与外界系统隔离，锅炉烘干之后外界空气与水蒸气仍然通过向空排汽阀和主蒸汽阀门泄漏到锅炉系统内，导致管路内进入水分与空气，由于没有干燥剂，水分与空气便形成水膜覆盖在水冷壁管表面上，从而引起氧腐蚀。根据DL/T 956—2005《火力发电厂停（备）用热力设备防锈蚀导则》的要求，放水结束后，应立即关闭空气门、排汽门和放水门，封闭锅炉。

7 结论

水冷壁管氧腐蚀的主因是停炉期间保养不当[4]，阀门泄漏导致系统不能完全与外界隔离，导致水冷壁管内壁产生局部氧腐蚀[5]，水中残存的Cl-作为催化剂加快了氧腐蚀速度。生产实践证明，锅炉的氧腐蚀大多是在停产期间造成的，因此应采取合理的保养措施，根据DL/T 956—2005《火力发电厂停（备）用热力设备防锈蚀导则》的要求，锅炉防锈蚀方法的主要选择原则是：机组的参数和类型，机组给水、炉水处理方式，停（备）用时间的长短和性质，现场条件，可操作性和经济性，考虑到本台锅炉采用母管制运行，宜采用邻炉热风烘干法进行保养，热炉放水后，辅以运行邻炉热风，继续烘干，尽可能杜绝水分和空气进入系统内。

[1] 时军波，徐娜，陈立宗，等.水冷壁管腐蚀破坏原因分析[J].热加工工艺，2013，42(16)：212-214.

[2] 李景平，周年光，霍金仙，等.高温炉水Cl-对碳钢水冷壁管的腐蚀行为研究[J].材料保护，2001，34(08)：21-22.

[3] 蔡志刚，谢涛.锅炉管的高温腐蚀与渗铝防护[J].热力发电，1996（01）：3-4.

[4] 张青.浅谈锅炉运行及维护保养工作[J].能源与环境，2 007（0 4）：109-111.

[5] 吴慧.做好锅炉安全运行及维护保养的重要性[J].硅谷，2 008（0 4）：46-47.