火电厂锅炉水冷壁管失效原因分析

张冰清，田 进，张志博，吴术全，江 峰

火电厂锅炉水冷壁管失效原因分析

张冰清1，田 进1，张志博2，吴术全1，江 峰1

（1.西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，陕西 西安 710049； 2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

针对某火电厂锅炉水冷壁管局部开裂鼓包导致泄漏的情况，通过化学成分分析、金相组织、维氏硬度、扫描电镜及能谱分析等试验方法，对水冷壁管进行取样分析。结果表明：炉水局部浓缩产生酸性环境，使水冷壁管内壁受到腐蚀，引起内部脱碳，并在内壁处产生微裂纹，造成氢损伤，是导致水冷壁管开裂及鼓包的主要原因；Cl–对水冷壁管内壁也有一定的腐蚀作用，造成管壁减薄；水冷壁管局部过热导致该区域外壁组织老化，即珠光体球化，但这并未对管样的力学性能产生严重影响。

锅炉；水冷壁；氢损伤；脱碳；微裂纹；腐蚀；局部过热

锅炉作为火电厂的三大主要设备之一，其安全性和稳定性是电力生产至关重要的因素。据资料显示，锅炉的事故占有率达到整个火电机组的40%以上[1-3]，由于锅炉“四管”（水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管）失效造成的突发事故占锅炉事故的70%以上[4]，而“四管”故障中40%发生在水冷壁管[5]。水冷壁由多根水冷壁管焊接而成，构成蒸发受热面，通过管内介质的流动，吸收炉膛中高温火焰及烟气的辐射热量，降低炉墙的温度，避免炉墙过热，从而达到保护炉墙、保证其服役寿命的目的。结合水冷壁的工作原理、服役环境以及各类失效实例综合分析，将水冷壁管失效原因归结为长期过热、短期过热、高温腐蚀、酸碱腐蚀、氧腐蚀、氢腐蚀、氯腐蚀等[6-7]。由此可见，锅炉水冷壁管失效的原因众多且存在多种原因共同作用下错综复杂的情况。因此，研究锅炉水冷壁管失效的原因以及采取相应的预防措施，对保证火电机组的安全运行有非常重要的指导意义。

1 试验方法

某电厂2号锅炉系英国Babcock公司生产的亚临界参数、一次中间再热、单汽包自然循环煤粉锅炉，采用全悬吊钢结构型式，采用“W”火焰燃烧方式。水冷壁设计材质为BS3059 Grade440，类似于国内的碳锰钢。该锅炉累计运行15万h时在A侧墙与后墙夹角位置标高15 m（图1）发生泄漏，泄漏部位的水冷壁管为66.7 mm×7.1 mm的内 螺纹管。

图1 发生泄漏区域

在保证失效部位免受污染的情况下，将管样割开，观察其内外壁及失效部位宏观形貌，并在未失效处、爆口及鼓包处取样制备金相试样，在爆口处取微观断口试样，对管样进行化学成分分析；利用Nikon ECLIPSE MA200倒置金相显微镜观察各试样的显微组织形貌；利用HITACHI SU6600扫描电子显微镜观察原始爆口及其用质量分数为20%柠檬酸溶液清洗后爆口的微观形貌；利用EDAX能谱仪对爆口腐蚀产物进行能谱成分半定量分析；利用宝棱HVS-502/LCD维氏硬度计测试各试样的维氏硬度，载荷为49 N，保载时间为15 s；根据GB/T 228.1—2010[8]，管样未失效段背火面取板状拉伸试样，利用MTS880型电液伺服材料试验机对管样进行室温拉伸性能试验。

2 试验结果及分析

2.1 宏观观察

水冷壁管样宏观照片及失效处宏观形貌见图2。管样向火面有一处长约11 cm的爆口，呈厚唇型，爆口边缘为钝边且变形很少，管径无明显胀粗；在爆口上游约10 cm处有直径约3.5 cm的鼓包，变形明显，鼓包附近焊缝内壁有突起异物（图2d)），可能是焊接过程中引入；爆口与鼓包管壁均减薄 严重，测量发现壁厚由原7.1 mm减薄至最薄约 3.0 mm；失效处内壁均有较严重的呈剥离状垢层，其结构疏松，与金属基体间有明显空腔，如图2b)、图2c)所示。

图2 水冷壁管失效情况

2.2 化学成分分析

在管样入口段未失效处取样并进行化学成分分析，结果见表1。由表1可见，该管样的化学成分符合标准BS 3059.2—1990[9]对Grade440规定。

表1 管样化学成分分析结果

Tab.1 Composition analysis of the tube material w/%

2.3 微观组织分析

在管样向火面未失效处取样，作为对照组，观察其金相组织。未失效处管样的组织为铁素体和珠光体的混合组织，组织无明显异常。然后对管样爆口和鼓包处横截面抛光试样进行金相观察，结果如图3所示。

由图3可见，管样爆口处和鼓包处横截面内壁存在大量径向微裂纹，且有汇聚相连扩展的趋势，而管样外壁未观察到明显裂纹。由此可以证明裂纹是由内壁向外壁扩展；根据横截面上裂纹方向，并结合裂纹扩展方向，可判断裂纹与爆口开裂方向一致，微裂纹在应力作用下扩展并连接成宏观裂纹，引起管样泄漏甚至爆裂。进一步对侵蚀后的金相试样进行观察，发现两处内壁微裂纹均为沿晶裂纹。

图3 管样内壁沿晶微裂纹

图4为管样内壁脱碳层的形貌。由图4可见，管样内壁组织老化特征不明显，但有一定程度的脱碳现象，爆口附近脱碳层深度在800mm以上，而鼓包附近的脱碳现象更为严重，脱碳层深达900mm以上。管样外壁的金相组织如图5所示，与珠光体球化评级标准对比，发现爆口附近外壁组织老化珠光体球化达2级，即有球化倾向；而鼓包附近外壁珠光体中大多数碳化物呈颗粒状，晶界上的碳化物呈链状分布，珠光体球化较为严重，球化程度达4~ 5级，即达到中度球化甚至完全球化。管样微观组织未发现明显的晶界孔洞等微观结构异常现象，因此可以排除蠕变损伤的可能性[10]。

图4 管样内壁脱碳层

图5 管样外壁金相组织

珠光体耐热钢在高温环境下服役时，原子的运动较为剧烈，其扩散速度加快，渗碳体会由能量较高的片层状向能量较低的球粒状转化，因此珠光体球化是必然趋势；球化后的碳化物尺寸不断增大并呈链状分布，这是碳化物的聚集现象。由于晶界上能量高，原子扩散速度快，晶界上更易发生珠光体球化和碳化物聚集的现象。研究表明，珠光体球化会削弱钢的室温抗拉强度和屈服强度[11]。本文水冷壁管材料属于碳锰钢，Fe、Mn均属于弱碳化物形成元素，其碳化物稳定性较差，非常容易发生转变、溶解和析出等现象，并有较大的聚集长大速度。文献[11]研究表明，温度对珠光体球化有非常显著的影响，其影响关系式为

式中：为完全球化所需的时间，h；为钢的运行温度，K；为由钢的化学成分和组织状态决定的系数；为珠光体的常数。

由式(1)可见，珠光体完全球化的时间随温度升高呈指数减少。鼓包处外壁组织珠光体球化较明显，而爆口处外壁组织仅出现珠光体球化倾向，且未失效处管样外壁组织并未发现明显珠光体球化现象，说明鼓包处外壁曾发生局部过热，并达到一定时间，导致该区域珠光体球化严重。

为进一步确定管样失效的主要原因，对原始爆口微观形貌进行观察（图6），并对爆口腐蚀产物进行能谱成分半定量分析。由图6可见，原始爆口表面附着物较厚，原始形貌遭到一定程度破坏，但仍可观察到沿晶断裂等脆性断裂的特征。在扫描电镜下观察清洗后的爆口，可以观察到类似冰糖块状花样，这是沿晶断裂的典型特征。

图6 清理前后爆口断口SEM图

对爆口内壁腐蚀产物和基体进行微区成分半定量能谱分析，能谱分析位置如图7所示，分析结果见表2。由图7和表2可知，爆口内壁垢层主要由铁的氧化物构成。另外观察到在爆口内壁上附着一些腐蚀产物，能谱结果显示该腐蚀产物主要为铁的氧化物，但其中含有较高的Cl元素。

图7 爆口内壁腐蚀产物及基体能谱分析位置

表2 爆口内壁腐蚀产物及基体能谱分析结果

Tab.2 The result of EDS of the corrosion products on the inner wall and the matrix w/%

2.4 力学性能分析

根据标准BS 3059.2—1990[9]、BS 3059-GR440的抗拉强度为440~580 MPa，根据德国标准DIN 50150—2000[12]将抗拉强度换算为维氏硬度，其维氏硬度标准约为137.5~181.3。分别对完好管样的向火侧、背火侧以及爆口、鼓包处试样进行维氏硬度测试，未失效处管样及鼓包处外壁的维氏硬度约为147，爆口外壁的维氏硬度约为176，硬度基本符合标准。通过对比未失效处管样与鼓包外壁的硬度，可以发现鼓包外壁虽然有较严重的珠光体球化现象，但对该区域的硬度无明显的影响。然而爆口处和鼓包处内壁的硬度均明显低于标准，维氏硬度仅120左右。失效处内壁的硬度值偏低，与内壁脱碳以及微裂纹有关。

在锅炉水冷壁管未失效处的背火面取2个板状拉伸试样，进行常温拉伸性能试验，结果见表3。由 表3可见，管样的屈服强度在259 MPa以上，抗拉强度为485 MPa，断后延伸率超过23.5%。可见，管样的拉伸性能指标均符合标准BS 3059.2—1990[9]要求。

表3 拉伸试验结果

Tab.3 Tensile properties of the samples

综合上述所有测试结果，未失效管样的化学成分、微观组织、各项力学性能均符合标准要求，说明管样整体性能良好、服役情况正常，出现爆口、鼓包等失效现象属于管样局部失效问题。

3 失效原因分析

管样失效处内壁有较严重的垢层，垢层结构疏松，与金属基体间有明显空腔；垢层以铁的氧化物和腐蚀产物为主；失效处内壁有大量沿晶微裂纹，且裂纹附近存在明显脱碳现象，而爆口边缘为脆性断口，氢损伤特征明显。锅炉水冷壁管在运行期间，炉水容易在热负荷较大的位置，如炉管的向火侧等处的沉积物下面、缝隙中间等部位浓缩，当炉水局部浓缩产生酸性环境时，内壁表面的金属被腐蚀，形成以Fe2O3为主的腐蚀产物，同时产生氢，其反应式为Fe+2H+→Fe2++H2。氢扩散到金属中，与金属组织中珠光体内部的碳化物反应产生CH4，引起内部脱碳，其反应式为Fe3C+2H2→ 3Fe+CH4。产生的CH4容易在金属基体中晶界的空穴、夹杂物等附近聚集，从而产生较高的局部应力，使得金属产生裂纹、龟裂等，同时钢材的强度和韧性也会显著下降，造成脆性破坏即氢损伤。随着氢损伤的不断发展，管样易发生鼓包；在氢损伤后期，管样内壁的微裂纹越来越多，微裂纹连通直至发生管样爆裂[13-15]。

水冷壁管氢损伤一般不会造成管样壁厚减薄，而本文管样失效处壁厚减薄程度明显，说明除氢损伤外，还存在其他因素管样失效。爆口内壁能谱显示内壁附着含Cl较高的腐蚀产物，可以推断Cl–对管样内壁的腐蚀作用也是管样产生鼓包甚至爆裂的原因之一。Cl–易在表面缺陷处（微裂纹、夹杂等）富集，局部形成酸性环境，内壁疏松的氧化膜作为阴极，暴露的金属作为阳极被消耗，使腐蚀向内扩展，造成管壁减薄。研究表明，当Cl–浓度大于一定值时，Cl–在金属表面的竞相吸附优于OH–，大量Cl–吸附在金属表面，表面钝化膜的修复速度低于其被破坏速度，金属表面开始出现白色点状，即为蚀核，钝化膜被破坏，继而形成点蚀，最终造成基体金属被消耗，即管壁减薄[16]。

此外，鼓包处外壁组织存在明显的老化现象，主要是由于内壁垢层较厚，影响传热，导致外壁长期处在超温状态，加速了材料的老化；但是，鼓包外壁显微组织未观察到晶间孔洞、晶间裂纹等蠕变损伤的特征，鼓包外壁处的硬度也没有明显降低的情况，表明外壁组织老化并非导致鼓包的主因。在管样焊缝内侧发现明显异物，为管样焊接过程所致，表明管样焊接过程质量控制不佳，该异物可能影响附近水质流动。

4 结论与建议

通过对水冷壁管BS 3059-GR440失效分析，认为水冷壁管在服役过程中，由于炉水局部浓缩产生酸性环境，内壁受到腐蚀，引起内壁脱碳，产生微裂纹，即造成氢损伤，是引发水冷壁管开裂及鼓包的主要原因。水冷壁管壁减薄是由于炉水中Cl–对管内壁有一定的腐蚀作用。另外，水冷壁管局部由于垢层过厚，曾发生过热，导致该区域外壁珠光体球化严重，但这并未对水冷壁管的整体性能产生严重影响。

为减少此类失效事故的发生，提出以下建议：1）控制水质，能有效减少管内结垢，防止局部过热，同时降低腐蚀性离子（如Cl–）在缺陷处富集的可能性；2）根据水冷壁管内结垢情况，及时安排酸洗清理管内壁垢层，但要避免残留酸液，且规范设备停炉保护；3）加强管样焊接过程质量控制；4）加强温度监控，避免超温运行。

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Failure analysis for boiler water wall tubes in thermal power plants

ZHANG Bingqing1, TIAN Jin1, ZHANG Zhibo2, WU Shuquan1, JIANG Feng1

(1. State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

Against the leakage caused by local cracking drum of boiler water wall tubes in a thermal power plant, several test methods such as chemical composition analysis, metallurgical structure analysis, Vickers hardness analysis, scanning electron microscopy and energy spectrum analysis were carried out to find out the reasons. The results show that, under the acid conditions resulted from localized concentration of boiler water, the inner wall of the water wall tube is corroded, causing inner decarburization and micro crack on the inner wall. Such hydrogen damage results in cracking drum of the boiler tube. Moreover, Cl– has a certain corrosion effect on the waterwall’s inner wall, which causes thinning of the tube wall. In addition, local overheating of the water wall tube results in aging of the outer wall, namely spheroidization of the pearlite, but this does not have a serious influence on mechanical properties of the tubes.

boiler, water wall, hydrogen damage, decarburization, micro crack, corrosion, local overheating

TK223.3; TG115

A

10.19666/j.rlfd.201808170

张冰清, 田进, 张志博, 等. 火电厂锅炉水冷壁管失效原因分析[J]. 热力发电, 2019, 48(5): 97-101. ZHANG Bingqing, TIAN Jin, ZHANG Zhibo, et al. Failure analysis for boiler water wall tubes in thermal power plants[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 97-101.

2018-08-27

张冰清(1994—)，女，硕士研究生，主要研究方向为粉末锻造及管件失效分析，bqzhang31@stu.xjtu.edu.cn。

江峰(1973—)，男，博士，教授，主要研究方向为粉末锻造及高熵合金, jiangfeng@mail.xjtu.edu.cn。

（责任编辑 杜亚勤）