电站锅炉水冷壁管的泄漏原因及应对措施

谌 康，蔡文河，杜双明，董树青，高大伟，杨志博，李旌鑫

(1. 中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究院，北京 100040； 2. 钢铁研究总院特殊钢研究所，北京 100081)

四管泄漏是造成电站非停的最普遍、最常见的形式，占机组非停事故的50%以上[1-2]。四管泄漏的高爆发率严重影响了机组的安全性和经济性[3-4]，因此备受电厂重视。水冷壁管是锅炉最为关键的受热部分，针对水冷壁管的失效问题，国内外进行了长期深入的研究，水冷壁管不仅会在烟气侧发生腐蚀[5]，也会在水汽侧发生腐蚀。腐蚀是不断累积且不可逆的，随着机组运行时间的延长，如果不对锅炉水冷壁管的腐蚀问题进行有效监督和干预，水冷壁管的腐蚀失效概率会逐渐增加[1]。

某火电厂600 MW机组亚临界锅炉，型号为030/17.5-YM9，采用一次中间再热、平衡通风、直流式四角切圆燃烧方式，额定蒸发量为1 762 t/h。炉膛水冷壁管采用螺栓上升膜式内螺纹管，为光管加扁钢的焊接形式。随着运行时间的增长，近期水冷壁管在运行过程中数次发生泄漏，给机组安全运行带来严重隐患。本工作对水冷壁管的泄漏原因进行分析，并针对水冷壁管内壁的腐蚀失效情况，找出腐蚀原因和失效机理，并提出相应的处理改进措施，以确保机组安全稳定运行，同时为同类型锅炉的防护提供借鉴。

1 试验

泄漏水冷壁管为前水中心线右数第八根，泄漏处为管壁出现横向裂纹的位置，标高约为47 m，漏点上方因泄漏后过热发生爆管。泄漏水冷壁管尺寸为φ51 mm×5.6 mm，螺旋管圈型水冷壁管，材质为20钢，运行时间约为9.7万 h。如图1所示，泄漏管外壁存在轻微结焦，未发生明显塑性变形和胀粗，泄漏处横向裂纹长度较短，约为10 mm，该管外壁5处横向裂纹均位于向火侧中部，如图中标记所示。

(a) 裂纹形貌1

将图1中样管纵向剖开后,可见管内壁存在垢层，垢层呈黑灰色。在同一位置，内壁裂纹与外壁几处横向裂纹均贯通，如图2所示。

图2 失效管段向火侧的内壁形貌

使用2.5%(体积分数)盐酸水溶液对内壁垢层超声清洗10 min，清除垢层后，在向火侧内壁中部发现大量枝状裂纹，裂纹主要集中在螺纹台阶附近区域，在螺纹突变位置更为严重。而背火侧内壁未发现目视可见裂纹，只存在局部点蚀坑，且螺纹台阶附近蚀坑相对密集，如图3所示。

(a) 向火侧

如图4所示:失效管段向火侧、背火侧管壁均未见明显减薄。向火侧中部位置内壁观察到腐蚀，由管内壁向外壁扩展，其深度已达到50%壁厚，且腐蚀已发生横向面积型扩展，见图中标记。

图4 失效管段横截面的宏观形貌

采用牛津FOUNDRY-MASTER PRO型全谱直读光谱仪对失效管样进行化学成分分析，见表1。可以看出，失效管样的化学成分符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》的要求。

表1 失效管的化学成分

采用SHB-3000E布氏硬度计对失效管样的布氏硬度进行检测，结果见表2，可见其布氏硬度符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》要求。

表2 失效管的布氏硬度

采用蔡司Axio Observer金相显微镜对失效管样的显微组织进行分析，如图5所示，管样向火侧、背火侧的显微组织均为铁素体+珠光体，参考DL/T 674-1999《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》，珠光体球化2级，为轻度球化，对于运行近10万 h的水冷壁管，组织老化程度相对正常，向火侧、背火侧组织无明显差异。

(a) 向火侧

如图6所示:失效管样向火侧与背火侧内壁均有不同程度的腐蚀坑，大部分腐蚀坑呈袋状，向火侧袋状蚀坑密度更大，腐蚀现象相对严重。向火侧部分腐蚀坑向外壁呈穿晶型式扩展开裂，开裂深度达数毫米，而背火侧未发现扩展趋势，仅部分相邻腐蚀坑贯穿连通。

(a) 向火侧

采用配备能谱仪(EDS) 的Zeiss EVO 18型扫描电子显微镜(SEM)对失效管样内壁垢层进行SEM观察和能谱分析，如图7所示，内壁垢层主要为含Fe的氧化物，并含有较高含量的Cu元素。

(a) SEM形貌

图8为袋状腐蚀坑的SEM形貌，对图8中腐蚀

图8 腐蚀坑SEM形貌

坑的两处位置进行了能谱分析，由图9可见，腐蚀坑主要为含Fe的氧化物，腐蚀坑内部存在含P、Zn、Ca等的Fe的氧化物。

(a) 能谱1

如图10所示:向火侧腐蚀坑处发生扩展开裂，对裂纹进行能谱分析，裂纹主要为Fe的氧化物。

(a) SEM形貌

2 结果与讨论

失效管样的显微组织为铁素体+珠光体，向火侧、背火侧珠光体球化均为2级，轻度球化，向火侧、背火侧组织无明显差异。对于运行近10万 h的水冷壁管，组织未明显劣化，且未见冶金和制造缺陷，由此可见，管道泄漏并非原材料质量及超温运行导致的。

失效管内壁存在垢层，垢层呈黑灰色，主要为Fe的氧化物，且含有大量Cu元素，这可能与凝汽器铜管发生腐蚀有关。Cu元素在水冷壁管内壁上沉积，会对水冷壁管内壁的保护膜产生破坏作用，导致电化学腐蚀[6-7]。内壁向火侧、背火侧均有不同程度的袋状腐蚀坑，腐蚀坑主要为含Fe的氧化物，在腐蚀坑内部存在含有P、Zn、Ca等元素的Fe的氧化物。P元素的存在，说明炉水通过加入磷酸盐进行处理。用磷酸盐处理炉水，不仅不能消除氧化垢的形成，相反会促进Fe、Zn、Ca 、Cu等金属离子在内壁的沉积，从而加剧对管壁的腐蚀[8]。

由于内壁的氧化垢层热阻较大，热量不能迅速从金属管壁传递到炉水中，使得管壁温度升高，另外氧化铁垢和螺旋台阶阻碍了炉水的流通，使得介质富集，导致水冷壁管炉水在氧化铁垢下方和螺旋的缝隙内局部浓缩，从而使该处溶解氧和介质浓度急剧增加，当达到一定浓度后，水冷壁管的局部产生电化学腐蚀[9]。

阴极反应为：

(1)

阳极反应为：

(2)

随着电化学腐蚀的进行，缝隙内产生的腐蚀物难以扩散出去，导致缝隙内的介质浓度进一步增大，造成缝隙内介质在浓度、pH和组成等方面和整体产生很大的差异，引起缝隙内金属加速腐蚀。水冷壁管螺旋的先决条件，导致了介质更容易在螺旋台阶处富集，向火侧、背火侧管壁的蚀坑都是在螺旋台阶附近相对密集。当OH-和Fe2+浓度增大到一定值时，便会发生以下反应：

(3)

由于阴极反应的发生，腐蚀区的氧含量降低，这时，外界的氧就会通过扩散源源不断进入腐蚀区，Fe(OH)2会部分被氧化，发生以下反应：

(4)

由于Fe(OH)3的酸性强于Fe(OH)2,故发生中和反应：

(5)

介质浓缩腐蚀的产物主要是Fe3O4，在腐蚀产物中含有炉水中的P、Zn、Ca、Cu等元素。同时少量的Fe(OH)3脱水形成Fe2O3，而生成的Fe3O4垢层随着厚度的逐渐增加，在热负荷的波动和内壁蒸汽周期性冲刷下，会逐渐形成裂纹直至破裂，此时氧就会通过裂纹或破裂处进入继续与水冷壁管基体发生反应, 生成的产物体积膨胀迫使外层的氧化物和水垢脱落，水冷壁管可以进一步腐蚀，从而使腐蚀区域扩大。

由于腐蚀不可逆性和累积性的特点，随着机组运行时间的延长，水冷壁管腐蚀损伤程度逐渐增加。根据宏观及微观观察结果，向火侧袋状蚀坑密度更大，腐蚀现象相对严重，这主要是因为：(1) 水冷壁管两侧(向火侧、背火侧)温度的不同会引起两侧炉水的浓缩程度不同，向火侧炉水浓缩程度高，而背火侧反应物浓度小，导致向火侧和背火侧形成浓度梯度，发生浓差电池反应，而向火侧又在浓差电池中作为阳极，加速了腐蚀进程；(2) 向火侧温度较高，使得向火侧水溶液的电导率增大，这使腐蚀过程的电流加大，这向火侧腐蚀相对严重；(3) 向火侧和背火侧存在较大温差，导致两侧电极电位不同，形成附加的电化学反应。背火侧电极电位高，作为阴极，在发生电化学反应时，受到保护。

显微组织观察发现，向火侧腐蚀坑处存在裂纹向外壁扩展的现象，呈穿晶式扩展，而背火侧未发现扩展趋势。人工打断掰开一处向火侧中部裂纹，如图11所示，该断口裂纹由内壁腐蚀坑处起裂，呈放射状向外壁扩展，具备典型的疲劳断裂特征，进一步验证裂纹从内壁腐蚀坑处起裂，逐渐向外壁疲劳扩展。向火侧管壁承受较大的交变热应力，在热疲劳载荷作用下，在内壁腐蚀缺陷处起裂扩展，经过长时间高温服役，裂纹扩展基本贯穿水冷壁管，即将形成水冷壁管的外壁横向裂纹。裂纹表面存在较厚的氧化垢层，裂纹部位存在较长时间的氧化腐蚀，同时也说明该裂纹的形成和扩展经过疲劳和氧化腐蚀的共同作用，疲劳裂纹的扩展进一步加剧介质的局部富集，促进氧化腐蚀的进行，二者互相促进。

图11 向火侧中部人工断口SEM形貌

随着我国新能源的迅猛发展，对调峰电源的需求逐年升高，火电机组由于调峰性好，深度调峰成为常态。在深度调峰形式下，机组频繁启停、长期低负荷工作，快速升降负荷。锅炉在启停炉以及负荷快速变化期间，水冷壁管向火侧壁温发生大幅度波动，易形成热冲击，使向火侧管壁承受较大的交变热应力，随着循环次数的逐渐累计，在向火侧腐蚀坑处(薄弱处)产生热疲劳裂纹[10-11]。与背火侧相比，向火侧腐蚀更为严重，向火侧管壁承受较大的交变热应力，腐蚀与热疲劳的交互作用使得裂纹更容易在向火侧中部起裂扩展，这也是样管泄漏位置全部位于向火侧的原因。

3 处理措施

腐蚀和疲劳都是累积损伤过程，应对炉内水冷壁管整体进行安全评估，对运行环境相对恶劣的部位重点关注。根据评估结果，对损伤程度较大的水冷壁管予以更换。水冷壁管造成泄漏是内壁腐蚀和交变热应力共同作用的结果，应从控制水冷壁管的腐蚀和热疲劳两方面加以改进。

(1) 应及时对锅炉进行化学清洗，除去水冷壁管内附着的氧化垢层，在管内壁形成钝化膜，制止腐蚀的进一步发展。

(2) 加强化学监督，保证炉水品质，尤其要控制溶解氧，保证锅炉连续排污和定期排污的正常运行。定期监测给水中铁和凝结水中铜的含量，有助于判断水冷壁管积垢及腐蚀情况。

(3) 按照运行规程控制锅炉起停速率，控制机组变负荷时的速率，减少机组起停次数，降低锅炉启停和调峰工况下产生的热应力。

4 结论

(1) 失效管样的显微组织为铁素体+珠光体，向火侧、背火侧珠光体球化均为2级，轻度球化。管壁向火侧、背火侧组织无明显差异。对于运行近10万 h的水冷壁管，组织未明显劣化，且未见冶金和制造缺陷，即泄漏并非原材料质量及超温运行导致的。

(2) 失效管样内壁存在垢层，炉水在氧化铁垢下方和螺旋的缝隙内局部浓缩，从而使该处溶解氧和介质浓度急剧增加，当达到一定浓度后，水冷壁管局部会发生电化学腐蚀。

(3) 受较大交变热应力的影响，水冷壁管在热疲劳载荷作用下，在内壁腐蚀缺陷处起裂扩展，裂纹经过疲劳和腐蚀的共同作用，最终导致泄漏。

(4) 与背火侧相比，向火侧腐蚀更为严重，向火侧管壁承受较大的交变热应力，腐蚀与热疲劳的交互作用使得裂纹更容易在向火侧中部起裂扩展，这是样管泄漏位置全部位于向火侧的主要原因。