某200 MW燃煤电厂锅炉水冷壁管泄漏原因

赵林松, 马芹征, 赵朋飞, 刘献良

(苏州热工研究院有限公司, 苏州 215004)

某200 MW燃煤电厂锅炉型号为HG-670/140-6，额定蒸发量为670 t/h，于1984年9月投产。锅炉的主要参数包括：过热蒸汽温度540 ℃；过热蒸汽压力13.73 MPa；再热蒸汽进出口温度分别为323 ℃和540 ℃，再热蒸汽进出口压力分别为2.6 MPa和2.4 MPa，汽包工作压力15.69 MPa，给水温度240 ℃。该机组水冷壁管的材料为Q245R钢，规格为φ60 mm×6 mm，在2020年10月的A级检修水压试验过程中发生泄漏，截至取样时，该水冷壁管累计运行约2.3×105h。

为了分析水冷壁管的泄漏原因，保障锅炉安全、稳定运行，笔者对该泄漏管进行了一系列检验与分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

水冷壁管泄漏位置在向火面，泄漏处管子内壁存在明显的腐蚀产物堆积现象，如图1a)所示。经渗透探伤发现，管子外壁有长度约为5 mm的轴向裂纹，如图1b)所示。在泄漏处截取环形试样，通过宏观观察发现，泄漏处管子内壁厚度明显减薄，该处剩余壁厚约为2.0 mm，未减薄处管子壁厚约为6.0 mm，减薄率达66.7%，裂纹由管子内壁贯穿至外壁，如图1c)所示。

图1 水冷壁管泄漏处内、外壁的宏观形貌

1.2 拉伸试验

依据GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》标准，在泄漏水冷壁管向火面和背火面位置分别截取室温拉伸弧形试样，采用岛津AG-IC型万能材料试验机进行室温拉伸试验。如表1所示，管子向火面和背火面的室温拉伸性能均符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》标准对Q245R钢的技术要求，管子向火面的抗拉强度和屈服强度略低于管子背火面的。

表1 泄漏水冷壁管的拉伸性能

1.3 扫描电镜及能谱分析

采用捷克VEGA TS 5136XM/Integrated型分析型扫描电镜(SEM)及一体化能谱电子背散射衍射微观分析系统，对水冷壁管泄漏处内壁和裂纹边缘的腐蚀产物层进行能谱分析，结果见表2和图2。可知腐蚀产物层主要为铁和铜及其氧化物，还存在微量的硫元素。

图2 水冷壁管泄漏处内壁和裂纹边缘的腐蚀产物层的能谱分析位置和结果

表2 冷壁管泄漏处内壁和裂纹边缘的腐蚀产物层的能谱分析结果

1.4 金相检验

在水冷壁管外壁基体及裂纹处截取环形试样，切割及磨抛过程均采用循环冷却水系统，以避免试样加工过热导致组织变化。采用ZEISS Axiovert 200MA型金相显微镜对试样的显微组织进行观察。

由图3可知：水冷壁管基体组织为铁素体+珠光体，晶粒度为8级，珠光体呈聚集状态，未见明显球化，组织正常；管子泄漏处主裂纹由内壁腐蚀坑底部向外壁延伸，主裂纹附近存在大量微裂纹，主裂纹及微裂纹均呈现典型的沿晶扩展的形貌特征，裂纹边缘有腐蚀产物；裂纹尖端处珠光体脱碳现象明显。

图3 水冷壁管外壁基体及裂纹处的显微组织

2 分析与讨论

该水冷壁管泄漏位置在向火面。一般情况下，水冷壁管向火面的运行温度高于背火面的运行温度。拉伸试验结果表明，管子向火面的抗拉强度和屈服强度略低于背火面的，这说明该水冷壁管向火面所处的环境温度长期高于背火面的温度。有研究表明，水冷壁管的温度越高，其内壁沉积物种类越多，腐蚀速率越快，盐类沉积和内壁腐蚀就越严重[1]。内壁沉积物主要是由给水管路带来或停炉时形成含有氧化铁及氧化铜的水渣。当水渣在较高温度的水冷壁管向火面内壁处沉积时，会发生如式(1)和(2)的反应。

4Fe2O3+Fe→3Fe3O4

(1)

4CuO+3Fe→Fe3O4+4Cu

(2)

上述反应以电化学方式进行，沉积的水渣为阴极，管壁金属作为阳极不断被腐蚀.当给水中有氧元素时，氧在阴极起去极化作用，促进管壁金属的腐蚀[2]。

盐类沉积物形成结垢后会造成传热不良，进一步使管壁温度升高。当管壁温度升高至400℃以上时，碳钢水冷壁管蒸汽侧会发生如式(3)的反应[3]。

3Fe +4H2O→Fe3O4+8[H]

(3)

当生成的氢原子不能较快地被气流带走时，氢原子就会进入管子基体，在高温下引起金属组织发生变化，使管子表面发生脱碳并出现裂纹，造成氢腐蚀。氢与碳钢中的碳发生的反应如式(4)～(6)所示。

C+4[H]→CH4↑

(4)

C+2H2→CH4↑

(5)

Fe3C+2H2→3Fe+CH4↑

(6)

上述反应单方向地向生成甲烷的方向进行，甲烷体积较大，不能溶于钢中或向外扩散，易在缝隙处积聚。缝隙中的甲烷分子含量达到一定程度时，将会产生高达数千兆帕的局部高压，使缝隙处承受很大的应力[2]。靠近管子表面的缝隙会形成鼓泡，管子内部的缝隙则会形成裂纹，严重降低管子的力学性能，最终使管子在运行中泄漏或爆裂。

综上所述，要减少类似的水冷壁管泄漏问题，关键在于保证锅炉水的质量和控制结垢生成。锅炉运行时，应按照DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》标准要求，严格控制锅炉水质、检查凝汽器严密性[4]，按规定定期对水冷壁管内壁进行清洗，除去水冷壁管内壁的附着物。提高无损检测和壁厚检测频率，并在泄漏点附近利用频率为5 MHz的小尺寸晶片横波超声波探头检测锅炉水冷壁管内壁的腐蚀状况，当发现水冷壁管存在宏观裂纹、鼓包、泄漏、减薄等情况时，应及时更换相应管段[5]。

3 结论及建议

(1) 该水冷壁管泄漏的主要原因是锅炉水品质较差、停炉保护不到位、管子传热不良等造成富含氧化铁及氧化铜的水渣在水冷壁管受热面内壁产生沉积，形成垢下氢腐蚀，造成管子强度降低，最终导致管子泄漏。

(2) 建议加强热力除氧器的运行管理，保证除氧效率，严格控制水中除氧剂联氨的过剩量，以防止氧腐蚀，定期检测给水中铁和凝结水中铜的含量，及时清洗水冷壁管内壁附着物。