电站锅炉水冷壁管泄漏原因分析及处理

李赞 沈英杰

摘要：水冷壁管是锅炉的重要部件之一，用于吸收炉膛中高温火焰和烟气的辐射热量，使管内介质受热蒸发，并起到保护炉墙的作用。其设计材料要求具有良好的热传导性、抗热疲劳性能及抗高温烟气腐蚀性能，并要求耐磨性能、工艺性能良好，尤其是焊接性能良好。常用的材料有20G、St45.8、STB42、SA210C等，其长期使用的最高壁温应≤450℃。

关键词：电站锅炉;水冷壁管;泄漏原因;分析

某电厂锅炉于2000年1月投产，系西班牙Foster Wheeler能源公司设计制造的FWESA1189.2/17.14-1型的亚临界压力、一次中间再热、单汽包、自然循环、固态排渣的煤粉锅炉。日前，锅炉右侧墙，标高24米处的水冷壁管发生泄漏，泄漏前炉水pH值约在9.2～9.5之间。水冷壁管的设计材料为SA210C，规格为覬76mm×9mm，管内介质的设计温度为350℃，工作压力为18MPa。截至本次泄漏，已累计运行约12万小时。

1.    试验

1.1  宏观检验

将泄漏的水冷壁管段取样，对泄漏口纵剖，宏观形貌特征如图1所示。

（1）     泄漏点位于管子向火面焊缝处，呈长方形，长约21mm，宽约14mm（图1a）。

（2）     管子内壁金属表面上产生凹凸不平的腐蚀坑（图1b），腐蚀坑处出现黑褐色腐蚀产物（图1c）。

（3）     焊缝内表面错口（图1d），根部未焊满（图1e），最深约为2mm。

（4）     泄漏口附近管子外壁存在密集的周向裂纹，裂纹呈楔形由外壁向内壁扩展，裂纹内存在腐蚀产物（图1f）。

1.2  化学成分检测

使用SPECTROTEST定量光谱仪，对爆口管段进行化学成分检测。

根据标准ASME SA210《锅炉和过热器用无缝中碳钢管子》对SA210C钢的化学成分要求，泄漏管段的各化学元素的含量均在标准允许范围之内。

（a）外壁宏观形貌（b）内壁腐蚀坑（c）腐蚀产物（d）焊缝错口（e）焊缝未焊满（f）外壁周向裂纹

1.3  金相分析

对泄漏管段纵剖面进行金相检测，打磨至600#金相砂纸，然后采用金刚石抛光剂对试样进行机械抛光，使用4%硝酸酒精溶液（每100ml溶液中：分析纯硝酸4ml、无水乙醇96ml）进行浸蚀，浸蚀后用无水乙醇清洗，并用吹风机吹干。最后使用Axio Vert A1金相显微镜对金相组织进行观察，并参照标准DL/T674-1999《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》对珠光体进行球化评级，检测结果如下。

距泄漏口边缘20mm处、30mm处及泄漏口背面母材的金相组织均为铁素体和珠光体，珠光体形态明显，珠光体球化评级1～2级;泄漏口背面焊缝的金相组织为晶粒粗大的魏氏组织。

（a）泄漏口边缘（b）距泄漏口边缘5mm处（c）距泄漏口边缘10mm处

（d）距泄漏口边缘15mm处

（a）距泄漏口边缘20mm处（b）距泄漏口边缘30mm处（c）泄漏口背面母材（d）泄漏口背面焊缝

1.4  XRD检测

取下水冷壁管内壁腐蚀坑处的腐蚀产物，研磨成粉末，使用X'Pert Pro型X射線衍射仪进行物相分析，设备参数为电压40kV，电流40mA，阳极靶材为Cu靶，检测结果如图4所示，腐蚀产物的主要成分是Fe3O4。

2.    试验结果及讨论

泄漏口管段的化学成分在标准允许范围之内，不存在材料错用或者化学成分不合格的情况。焊缝附近的管子内壁腐蚀减薄严重，并发生泄漏，内壁腐蚀坑处存在大量黑褐色腐蚀产物，黑褐色腐蚀产物主要物相为Fe3O4。

分析认为，焊缝的焊接质量较差，焊缝处存在错口，并且根部存在未焊满现象，造成局部汽水循环不通顺，炉水通过时，流速降低，于此处产生涡流，垢物在此处沉积。水冷壁内表面附着的水垢、腐蚀产物等沉积物是造成局部锅水pH值偏高、产生垢下腐蚀的必要条件。沉积物越多越易发生垢下碱性腐蚀。当垢物沉积后，热传导不良，管子壁温升高，炉水在此处浓缩，pH值升高。当pH>13时，管壁金属表面上的保护膜Fe3O4会与浓缩的炉水生成反应如下：

当Fe3O4沉淀物（水垢）附着在向火面金属内壁（阳极）后，由于水垢的阻挡，沉淀物外部的炉水不能和沉淀物下浓缩的炉水混合，造成沉淀物下炉水进一步的局部浓缩，加剧了沉淀物下金属内壁的不断腐蚀，逐渐形成凹凸不平的腐蚀坑，使管壁不断减薄，直至泄漏。

本次泄漏的位置位于吹灰器附近，吹灰器存在冷凝水，当吹灰器工作时，冷凝水喷到高温的管子外表面，造成短时间的急冷，使管壁温度急剧交替变化，产生较大的热应力，造成了塑性变形损伤累积，形成热疲劳，在外壁产生密集的周向裂纹，但裂纹并未穿透管壁，不是本次泄漏的主要原因。电站水冷壁管长期在恶劣的工况下运行，发生爆管泄漏是较为常见的事故，其中垢下腐蚀就是最为常见的原因之一。

3.    结论：

（1）     综合以上分析，本次泄漏的原因为局部垢下碱性腐蚀。

（2）     为保障锅炉的安全运行，在全面分析爆管原因后，根据其特点，提出如下几个建议：1.利用停炉的机会，进行酸洗，及时清除各种水垢及腐蚀产物;检查吹灰器附近的管子，是否存在热疲劳，对产生了疲劳裂纹的管子根据吹损及裂纹严重程度进行逐批更换;2.提高焊接质量，保证良好的汽水循环;3.按照GB/T12145-2008《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》的要求，加强对炉水的化学监督，控制好炉水的pH值，提高炉水和蒸汽的品质。

参考文献：

[1《]火力发电厂金属材料手册》编委会.火力发电厂金属材料手册[M].北京：中国电力出版社，2000.

[2]   锅炉和过热器用无缝中碳钢管子：ASME SA210[S].美国纽约：ASME BPVC.Ⅱ.A，2017.

[3]   火电厂用20号钢珠光体球化评级标准：DL/T674-1999[S].北京：中国电力出版社，1999.

[4]   崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M].第2版.北京：机械工业出版社，2007.