锅炉水冷壁腐蚀爆管原因分析

锅炉水冷壁腐蚀爆管原因分析

王瑛玖王野戴胜杰

（中国石油辽阳石化分公司热电厂辽宁辽阳111003）

摘要：水冷壁是锅炉受热面的重要组成部分，主要针对辽阳石化分公司热电厂#6锅炉水冷壁爆管现象，通过采用宏观分析、低倍分析、金相分析、电镜扫描等方式对水冷壁氢脆（氢腐蚀）爆管进行深入剖析，指出了其共性特征和形成机理，并在此基础上，提出了相应的整治建议，目的在于分析清楚原因，归纳总结出能够提前预防和治理水冷壁氢脆腐破坏的有效方法。

关键词：水冷壁；爆管；氢脆

1.概况

辽阳石化热电厂共有7台蒸发量410t/h锅炉，采用膜式水冷壁。2016年11月13日，#6锅炉水冷壁管爆管导致非计划停炉。该水冷壁管材质为20G钢；管子规格为Φ60×5mm。管内的介质为饱和水，温度≦350℃，压力11.28MPa；管外烟气温度大约800℃。爆管位置在燃烧器下部弯管水冷壁处。爆口呈窗口状，其附近还有多条纵向裂纹。

2.宏观、低倍分析

该水冷壁爆口形态呈窗口状。将管子向火侧爆口附近的裂纹打开1，得到一个“裂纹断口”。管子开裂是从内向外进行的，内壁上有腐蚀坑，坑内有很厚黑色腐蚀产物（垢）附着，管壁减薄，脆性开裂，还有多条裂纹在爆口附近，有的与爆口相连2。

（内壁腐蚀、结垢、减薄，裂纹由内向外扩展）

3.金相分析

20G钢无缝钢管通常以热轧或正火状态供货，其金相组织：铁素体+珠光体[3]。

在水冷壁管的爆口附近取横、纵向金相样品3。金相样品经预磨、抛光、4%硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜下观察分析。

水冷壁管横向金相样品的一端是爆口的断口处，管壁中有大量的微裂纹沿晶存在，越靠近管子内壁，裂纹越多。微裂纹存在处，就会有明显的脱碳现象，珠光体减少或消失。这些微裂纹在管壁中的内壁富集，随着向外壁方向的延伸，微裂纹逐渐地减少直至消失，外部管壁组织为铁素体+珠光体。

水冷壁管纵向金相样品靠近裂纹处，也在腐蚀坑内。管壁内表面附着很厚的垢层，垢下有大量的微裂纹，微裂纹中有腐蚀产物充塞。管壁外表面有氧化层，管壁的金相组织为铁素体+珠光体。

4.扫描电镜分析

使用扫描电镜，对爆管处的断口、管子内壁垢层及微裂纹中产物进行微观分析。

爆口处的断口2没有明显地塑性变形，断口表面有腐蚀产物附着；能谱分析表明，管子断口表面及管子内壁垢层主要是铁的氧化物（O的含量10%～16.59%，Fe的含量63.90～77.51），断口上还有C、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、Ca等元素存在。

管子爆口处附近内壁表面垢层构成以铁的氧化物为主（O的含量19.79%～21.67%，Fe的含量71.23～79.05%），还含有少量的其它元素；管壁内侧微裂纹中充塞的产物也为铁的氧化物（O的含量13.15%～18.52%，Fe的含量81.48～86.15%）。

5.分析与讨论

通过对6#锅炉水冷壁管爆口部位的多项理化检验分析，确认水冷壁管爆管破坏性质为氢脆即氢腐蚀。

氢脆是由于水冷壁管壁受到污染结垢，且在锅炉给水PH值较低呈酸性的条件下而造成的管子损坏。典型特征如下[1]：

（1）爆管主要发生在水冷壁的向火侧的高负荷区；

（2）爆口附近管径基本没有胀粗；

（3）内管壁结垢；

（4）管壁无明显减薄，爆口边缘较钝也无明显减薄；

（5）爆口一般呈方形（窗口状）。

正常情况下，水冷壁管的内表面覆盖一层致密的保护膜，氢原子被循环的炉水带走，不会渗入钢中。而当运行工况出现异常时，情况就会发生变化。如炉水pH值过低时，会产生酸性腐蚀，破坏管内壁的保护膜。具有腐蚀性的炉水可以直接与金属基体发生如下反应：

Fe+2H+=Fe2+H2↑

如果产生的氢原子不能很快被蒸汽带走，就会在较高的温度作用下通过晶格和晶界向水冷壁向火侧钢内扩散，并与钢中的渗碳体、游离碳发生反应，形成气态甲烷（CH4），并在其表面快速扩展的过程,造成氢脆。发生的化学反应如下：

氢分子与钢中渗碳体发生反应：2H2+Fe3C=Fe+CH4

氢分子与钢中游离碳发生反应：2H2+C=CH4

氢原子与钢中游离碳发生反应：4[H]+C=CH4

氢原子与金属组织中的Fe3C作用生成甲烷（CH4）后，较大的甲烷（CH4）分子聚集在晶界间，形成断续裂纹的内部网状组织，该裂纹不断增长并连接起来，造成金属贯穿断裂。

氢脆是由于锅炉水质化学处理不当、杂质超标或因凝汽器泄漏导致酸性工质盐类进入凝结水系统造成的。管壁的结垢导致了酸性工质的浓缩而腐蚀管壁，在管子焊口等不规则部位又加剧了积垢的形成。氢脆爆管主要发生在水冷壁的向火侧的高负荷区，爆口附近管径基本没有胀粗，管壁无明显减薄，爆口边缘较钝也无明显减薄，爆口一般呈方形（窗口状）[2]。

3.结论

6#锅炉水冷壁爆管原因是水冷壁在结垢的前提下，水质不合格造成的氢脆（即氢腐蚀）破坏。

4.建议

（1）对爆管水冷壁进行更换；

（2）扩大检查范围，对于已经发生氢脆（即氢腐蚀）破坏的水冷壁管要及时予以更换；

（3）加强对锅炉水质的监测；

（4）定期对锅炉水冷壁进行化学清洗，清除管子内壁的结垢。

参考文献：

[1]陈吉刚，丁玉华，梁锋，刘玉民.锅炉管的失效和防止措施（二）汽水侧的氧腐蚀、垢下腐蚀、高、低温腐蚀.热力发电，1992.（2）：59-62.

[2]《现代电站锅炉技术及其改造》编委会编.现代电站锅炉技术及其改造.中国电力出版社，2006ISBN7-5083-3771-9.

[3]GB5310-1995.高压锅炉用无缝钢管的化学成分[S].

作者简介：

王野、男、1985年11月6日出生、2009年7月毕业、东北电力大学、学士学位、中国石油辽阳石化分公司热电厂、助理工程师、热能与动力工程、辽宁省辽阳市宏伟区东环路2号、111003、15241967973、www.wangye1@petrochina.com.cn

潘涛、男、1986年06月30日出生、2009年7月毕业、东北电力大学、学士学位、中国石油辽阳石化分公司热电厂、助理工程师、热能与动力工程、辽宁省辽阳市宏伟区东环路2号、111003、18241918541、www.wangye1@petrochina.com.cn