某热电厂锅炉水冷壁泄漏原因分析及治理

王天鹏，聂晓波，刘晓龙，张得泷，孙明成

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院,辽宁 沈阳 110006；2.辽宁东科电力有限公司,辽宁 沈阳 110179)

水冷壁作为吸收炉膛高温火焰或烟气辐射热量的主要受体，是锅炉的重要组成部件[1]。水冷壁的工作环境恶劣，在运行过程中极易发生故障而影响锅炉安全稳定运行[2]。因此，水冷壁是锅炉定期检验时的重点关注对象之一[3-4]。

某热电厂4台机组于2016年底先后发生锅炉水冷壁泄漏事故，其中1号、2号机组锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的HG-440/13.7-L.HM29型超高压一次中间再热循环流化床锅炉。5号、6号机组锅炉为北京锅炉厂生产的BG-130/3.82-M4型单锅筒自然循环煤粉炉。4台机组的水冷壁设计材质均为20G，泄漏水冷壁取样位置及规格如下：①1号锅炉水冷壁割管，水冷壁后墙标高23.0 m处左数第3根，规格为Φ60×6.5 mm；②2号锅炉水冷壁割管，水冷壁南墙标高13.5 m处后数第3根、4根，规格为Φ60×6.5 mm；③5号锅炉水冷壁割管，水冷壁前墙标高20.0 m处南数第13根、14根，规格为Φ60×5.0 mm;④6号锅炉水冷壁割管，水冷壁南墙标高20.0 m处前数第40根，规格为Φ60 ×5.0 mm。

本文针对水冷壁泄漏原因进行失效分析，并提出针对性的治理措施。

1 试验方法

对“送样”进行宏观分析后再切割取样，用水磨砂纸对切割试样逐级打磨至1200号，用去离子水清洗、丙酮脱脂、干燥，采用4%的硝酸酒精溶液进行侵蚀。采用Imager.Z2m激光共聚焦显微镜对镀层形貌进行组织观察。

依据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)》，采用DV-6型定量直读光谱仪对试样化学成分进行分析，测3个点取平均值。所需分析样品通过在水冷壁切取管段压扁后打磨制成。

采用CMT5205型微机控制电子万能试验机进行常温拉伸性能试验，按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》对泄漏水冷壁进行拉伸试验，每个水冷壁分别在向火侧和背火侧取样进行拉伸试验。

2 试验结果分析

a.1号锅炉泄漏水冷壁宏观形貌分析及金相检验

对1号锅炉泄漏水冷壁进行割管，整体宏观形貌如图1(a)所示，对泄漏区域进行放大如图1(b)所示，泄漏区域周围水冷壁外壁可见明显的冲刷坑，呈对称分布，其中图1(b)左侧的冲刷坑存在明显漏洞。采用体式显微镜对图1(b)中2个冲刷坑的对称中心区域(图1(c)中红色虚线圆圈内)进行观察，可见此区域有一沿外壁周向的裂缝存在。对1号锅炉水冷壁冲刷坑区域进行切割并对水冷壁内壁进行观察，可见水冷壁外壁减薄区域所对应的内壁腐蚀严重，呈溃疡状腐蚀，腐蚀区内有较厚的褐色腐蚀垢，采用角向磨光机对内壁腐蚀产物进行清理，直至露出水冷壁母材的金属光泽，如图1(d)所示。可见水冷壁内壁存在沿内壁周向的裂纹，其对应的外壁位置正是图1(c)所示的裂缝所在区域，可知其为沿壁厚方向的贯穿性裂纹。

(a)水冷壁割管整体宏观形貌

(b)泄漏区域放大

(c)图(b)虚线圈内体式显微照片

(d) 水冷壁内壁形貌图1 1号锅炉泄漏水冷壁形貌

截取以上漏点位置附近区域进行金相观察。1号锅炉水冷壁内壁腐蚀产物区域的金相组织如图2(a)所示，可见其微观组织有明显的脱碳现象，珠光体区域极少甚至近乎消失，并可见沿晶裂纹。水冷壁裂纹区域的金相组织如图2(b)所示，可以发现裂纹两侧具有严重的脱碳现象，组织内部可见细微的沿晶分布的微观裂纹。而同为向火侧(环向距最薄管壁处35 mm处)的金相组织为珠光体+铁素体，球化等级2级，金相组织正常，如图2(c)所示。背火侧金相组织为珠光体+铁素体，球化等级2级，金相组织正常，如图2(d)所示。

(a)水冷壁内壁腐蚀处金相组织

(b) 水冷壁裂纹处金相组织

(c) 水冷壁向火侧金相组织

(d) 水冷壁背火侧金相组织图2 1号锅炉水冷壁金相组织

b.2号锅炉泄漏水冷壁宏观形貌分析及金相检验

2号锅炉水冷壁向火侧外壁经过激光熔覆处理，水冷壁割管外壁宏观形貌如图3(a)所示，可见水冷壁外壁开裂位置附近区域被褐红色的腐蚀产物所覆盖，有较为明显的冲刷痕迹。割管内壁形貌如图3(b)所示，可见水冷壁内壁开裂区域附近腐蚀较为严重，腐蚀区呈亮灰色到红褐色，质地构成较为疏松，管壁减薄严重。

(a)水冷壁割管外壁形貌

(b)水冷壁割管内壁形貌图3 2号锅炉泄漏水冷壁形貌

对2号锅炉水冷壁取样进行金相组织检验，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，水冷壁内壁近腐蚀区域金相组织如图4(a)所示，未呈脱碳形态且无沿晶裂纹存在，组织形貌为铁素体+珠光体，球化等级2级，金相组织正常。接近激光熔覆区的热影响区金相组织如图4(b)所示，组织形貌依然为铁素体+少量的珠光体+碳化物，球化等级3级。熔合线附近区域组织形貌如图4(c)所示，可见熔合线区域两侧材料结合良好，熔合线左上方区域为激光熔覆合金区，其组织形貌为马氏体，熔合线右下方为过热区，组织形貌为铁素体+珠光体，部分区域呈现魏氏体形态。2号锅炉水冷壁背火侧金相组织如图4(d)所示，可见其金相组织为珠光体+铁素体，球化等级2级，金相组织正常。

(a) 水冷壁向火侧内壁腐蚀物附近金相组织

(b) 水冷壁向火侧热影响区金相组织

(c)水冷壁向火侧熔合线区域金相组织

(d) 水冷壁背火侧金相组织图4 2号锅炉水冷壁金相组织

c.5号锅炉泄漏水冷壁宏观形貌分析及金相检验

5号锅炉试样沿向火侧鳍片焊趾部位一侧附近区域出现呈溃疡状的腐蚀凹坑，如图5(a)所示，水冷壁外壁减薄较为严重，管壁厚度沿周向连续渐变。对凹坑区域进行放大观察如图5(b)所示，可见在外壁减薄较为严重处有泄漏点出现，泄漏口横截面宏观检查发现泄漏口内壁边缘棱角清晰可见，其所在管段内壁光滑，未见腐蚀麻坑。

(a)水冷壁割管宏观形貌

(b) 水冷壁漏点区域放大图5 5号锅炉水冷壁外观形貌

对泄漏点附近区域进行切割并对环向金相组织进行观察，水冷壁向火侧泄漏处金相组织如图6(a)所示，组织形貌为铁素体+珠光体，珠光体略呈带状分布，其片层状结构清晰可辨，球化等级2级，金相组织正常。其向火侧(环向距最薄管壁处40 mm处)金相组织同样为珠光体+铁素体，珠光体略呈带状分布，球化等级2级，金相组织正常，如图6(b)所示。背火侧金相组织如图6(c)所示，组织形貌为珠光体+铁素体，珠光体同样略呈带状分布，球化等级2级，金相组织正常。

(a)水冷壁减薄处金相组织

(b) 水冷壁向火侧金相组织

(c)水冷壁背火侧金相组织图6 5号锅炉水冷壁金相组织

d.6号锅炉泄漏水冷壁宏观形貌分析及金相检验

6号锅炉割管试样的宏观形貌如图7(a)所示，可以发现沿两侧向火侧鳍片焊趾部位纵向均出现由外向内的沟槽，沟槽深度2～4 mm，沟槽底部金属表面无致密氧化层覆盖，在沟槽深度较大区域有漏点出现。泄漏口横截面宏观形貌如图7(b)所示，向火侧两边鳍片焊趾部位均可见较深的腐蚀沟槽，腐蚀沟槽附近区域未发现明显塑性变形，所在管段内壁光滑，未见腐蚀麻坑。

(a)水冷壁割管漏点区域形貌

(b) 水冷壁横截面形貌图7 6号锅炉水冷壁外观形貌

6号锅炉水冷壁向火侧减薄处金相组织如图8(a)所示，组织形貌为铁素体+珠光体，球化等级2级，金相组织正常。在向火侧(环向距最薄管壁处50 mm处)金相组织为珠光体+铁素体，球化等级2级，金相组织正常，如图8(b)所示。

(a) 水冷壁减薄处金相组织

(b)水冷壁向火侧金相组织图8 6号锅炉水冷壁金相组织

3 水冷壁化学成分及力学性能分析

水冷壁成分分析结果如表1所示，其中样品编号为水冷壁所在机组编号。由表1 可知，4台机组水冷壁元素体积分数符合GB 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》中20G的要求。

表1 水冷壁成分分析 单位：Wt %

水冷壁拉伸性能试验结果如表2所示，由表2 可知，除2号锅炉水冷壁外，水冷壁向火侧抗拉强度、屈服强度及延伸率均低于背火侧，并且4台机组水冷壁的力学性能指标均符合GB/T 5310—2008 对20G的要求。

a.1号锅炉水冷壁分析

1号锅炉水冷壁的化学成分及拉伸性能满足设计材质(20G)相关标准要求，失效水冷壁泄漏处内壁腐蚀严重，呈溃疡状腐蚀，腐蚀区内有较厚的褐色腐蚀垢。金相组织分析显示，内壁腐蚀产物附近及裂纹处的组织中存在大量沿晶裂纹且有明显的脱碳现象。因此，导致水冷壁失效原因应为垢下氢腐蚀开裂，而外壁呈对称分布的冲刷坑应为管内介质从泄漏裂纹处向两侧冲刷所致。

表2 水冷壁拉伸性能试验结果

氢腐蚀属于垢下腐蚀的一种[5]，通常在水质含有杂质的情况下，发生在炉膛热负荷较高的区域，如水冷壁向火侧(尤其是焊缝位置或介质流速较慢的管内)在较致密的沉积物下形成。其垢下反应为[6]

3Fe+4H2O→Fe3O4+8[H]

垢下腐蚀产生的氢原子不能很快地被汽水介质带走，氢原子沿晶界位错间隙进入钢材内部，与钢中的渗碳体发生如下反应。

4[H]+Fe3C→3Fe+CH4

氢原子在晶界反应生成的CH4后体积急剧膨胀，产生较大的内应力，造成晶间开裂，致使金属晶粒之间的联系遭到破坏，强度和塑性降低。随着氢离子渗入基体深度加大，造成材料损伤的范围也随之加大，最终在外力作用下发生脆性破坏，裂纹周围钢中含碳量随之减少，形成脱碳。

氢腐蚀发生原因是由于水质劣化、锅炉火焰偏燃、管内介质流速偏低等[7]。炉膛火焰偏燃会造成炉墙温差较大，垢的形成速度和炉管热负荷的平方成正比，炉管的热负荷越高，沉积量越大，垢下浓缩和腐蚀越严重。管内介质流速缓慢使管内更容易结垢，加速腐蚀速度。氢腐蚀与炉水的水质有着密切关系，造成水质劣化的原因为机组检修期间汽水系统腐蚀、启动冲洗不彻底、机组启停频繁、凝汽器泄漏、水处理旁路门不严、不适当的酸洗等[8]。

b.2号锅炉水冷壁分析

2号锅炉水冷壁的化学成分及拉伸性能满足设计材质(20G)相关标准要求，水冷壁开裂位置位于水冷壁向火侧，该侧由于激光熔覆材料的存在且熔覆材料区域呈现马氏体状态，在一定程度上利于提升水冷壁外壁的耐磨性[9]。熔覆材料与基体母材呈现良好的结合状态，虽然水冷壁割管外壁有一定的冲刷痕迹，但外壁减薄并不明显。水冷壁内壁存在较为剧烈的腐蚀，蚀坑底部母材区域未见脱碳层及沿晶微裂纹，由宏观形貌及金相组织特征可知，泄漏的主要原因是内壁腐蚀减薄所致，内壁腐蚀具有垢下碱性腐蚀特征[10]。

造成水冷壁发生垢下腐蚀的原因[11]为炉水的水质较差，水中杂质在管壁上沉积即结垢。沉积物本身的导热性相对较差，使位于其下面的金属壁温升高，使处于金属壁面与沉积物之间的炉水出现浓缩现象，受沉积物影响，这部分炉水很难与管道内其他部分的水进行介质交换及混合。如果炉水pH值控制不好呈碱性，由于垢下介质浓缩，垢下介质呈强碱性，对基体金属具有很强的腐蚀作用，使基体金属不断被腐蚀。当这种腐蚀出现后，会在金属表面形成凹凸不平的腐蚀坑，其腐蚀产物呈疏松状，被腐蚀位置的金属机械性能下降。随着腐蚀程度加深，管壁减薄，直至剩余壁厚强度不足时引发泄漏或爆管。管内介质流速对垢下腐蚀影响较大，流速越低管内越易结垢，也就越易发生垢下腐蚀。

c.5号锅炉和6号锅炉水冷壁分析

5号锅炉和6号锅炉的金相组织为正常的铁素体+珠光体，不存在高温和应力长期作用发生失效的可能；焊缝附近未见未焊透、气孔、咬边等焊接缺陷，不存在焊接质量不好导致开裂的可能；向火侧鳍片焊趾部位出现由外向内的腐蚀痕迹，内壁边缘棱角锐利且无可见蚀坑沟槽，底部金属表面无致密氧化层覆盖，说明水冷壁泄漏源于管外壁。通过对比水冷壁泄漏口外壁边缘和管壁减薄部位的表面形貌，结合管壁减薄区的壁厚变化规律可知水冷壁失效是由于腐蚀所致。考虑水冷壁割管所处位置，其受腐蚀的主要原因在于SNCR喷射系统的喷枪喷射的尿素溶液[12]。尿素溶液在一定条件下具有较强的腐蚀性[13]，锅炉SNCR脱硝工艺是把尿素溶液喷入炉膛温度800～1000 ℃的区域，在无催化剂作用下，尿素中的氨基还原烟气中的NOx。当尿素溶液雾化效果不好形成液滴，并滴落或喷射至温度较高的水冷壁上时，尿素溶液分解出NH3，而NH3和烟气中的CO2在高温下异构生成氰酸铵(NH4CNO)。氰酸铵在溶液中离解出游离的氰酸根(CNO-)，CNO-具有较强的还原性[14]，使钝化型金属不易形成钝化膜，从而产生严重的活化腐蚀。

根据电化学腐蚀理论[15]，在应力超过材料屈服强度的部位易发生电化学腐蚀。膜式水冷壁在制造及安装过程中(如水冷壁管鳍片焊接)会引起一定的应力集中，并与基体形成电位差，使内应力较大部位成为腐蚀电池的阳极，引发电化学腐蚀。

4 结论

a.4台机组锅炉水冷壁的化学成分和拉伸性能测试结果均满足设计材质(20G)相关标准要求。

b.1号锅炉水冷壁泄漏原因为垢下氢腐蚀。为了控制和预防氢腐蚀的发生，建议做好以下工作：①调整锅炉燃烧器的火焰喷射角度，尽量避免造成局部温度过高；②稳定工况,防止汽水循环不良；③保持锅炉运行中排污系统的正常运转；④ 提高给水、炉水品质，将各项指标控制在标准范围内；⑤对锅炉定期进行清洗，除去水冷壁内壁沉积物。

d.5号锅炉和6号锅炉是向火侧鳍片焊趾位置附近区域被尿素溶液局部腐蚀穿孔导致水冷壁泄漏。建议对以下几个方面进行改进：①改进喷枪结构，优化尿素溶液的雾化形式，克服喷枪漏流的缺陷；②改变喷枪与水冷壁面的夹角，在保证喷枪不被烧损的条件下增加喷枪伸进炉膛的深度；③在喷孔下部水冷壁部位加装不锈钢护板，外部敷耐火所料，防止启停系统时的漏流与水冷壁管直接接触；④定期对喷枪进行雾化效果检查，及时更换雾化效果不达标的喷枪。