电站锅炉水冷壁管失效分析

电站锅炉水冷壁管失效分析

李智博 张浩锗

华电新疆五彩湾北一发电有限公司 新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州 831700

摘要：作为锅炉的重要组成部分，水冷壁管主要用于吸收炉膛内部高温烟气和火焰散发的热量，这个过程中水冷壁管内介质会出现受热蒸发等一系列现象，能够有效保护锅炉的炉墙，本身具有抗热疲劳性能和热传导性能。但在电站锅炉运行过程中水冷壁管出现泄露问题会比较常见，将严重影响锅炉运行的稳定性和安全性。因此，电站要注意这一问题，制定针对性地解决措施，避免锅炉出现故障停炉等一系列问题。

关键词：电站锅炉；水冷壁管；失效；措施

某企业#5电站锅炉折焰角水冷壁管子在使用过程中发生了爆裂，现对断裂部位进行力学性能、材质成分分析，腐蚀物和管内垢样成分检测分析，以及管子劣化现象金相和硬度分析。

1电站锅炉水冷壁管泄漏原因分析

1.1水循环路线不畅引起水冷壁爆管

现阶段大型煤粉电站锅炉通常采用直流锅炉，自热循环方式，水冷壁通常采用螺旋管圈加垂直管圈布置方式，水循环可靠性高，辐射热量可以被及时带离，水冷壁管的运行温度控制在壁温计算规定的合理范围内。另因自然循环中水循环在实际运行中可能出现的停滞倒流现象，使得水冷管壁内部汽水混合物的流动性无法达到预期要求，无法及时带走水冷壁管所吸收的热量，使得这些蒸汽形成汽塞，这一位置的水冷管壁无法及时冷却，管壁温度急剧升高，不仅会在一定程度上降低水冷管壁的机械强度，还会增加水冷管壁出现爆管等一系列现象的概率。

经分析，造成上述现象主要原因如下：锅炉启动过程中，水循环处于不稳定运行状态，这一时期锅炉内部火焰分布并不是非常均匀，受热较少的管壁较为容易出现水循环故障问题；锅炉内部水冷壁管壁出现严重结焦问题，影响水冷壁吸收热量，容易出现水冷壁内部水循环问题；考虑到定排时间问题，锅炉下联箱的定排门存在严重内漏现象，导致水冷壁这部分路线出现比较严重的循环问题；由于现在电网要求，部分电厂不能够长期带满负荷或者高负荷运行，长期低负荷运行成为常态。

1.2管内壁结垢对水冷壁管泄露的影响

现有锅炉给水均需化学处理，通常采用CWT或者AWT,这种化学除盐水无法有效去除水中的所有盐分。除此之外，由于对水源和水质标准要求不够严格，使得经过化学处理的水通过给水管道送入锅炉之前被污染，增加进入水冷壁水循环系统的杂质。另外，在运行中随着水冷壁管中水陆续循环并且蒸发，杂质的浓度也将大比例提高，如果没有及时加药，就可能导致连排问题等一系列不当问题，进而导致锅炉水冷壁管中水的杂质不断凝结，最终在水冷壁管壁上形成水垢，水垢较为严重的时候，水冷壁管水循环正常运行就会受到影响。

水冷壁管内壁结垢较为均匀的情况下，其传热热阻会随着结垢的严重程度不断增加，管壁的温度处于均匀升温状态，这不仅会加快水冷壁管蠕变的速度，还会导致水冷壁管出现变粗的状况，结垢达到一定程度之后，导致水冷壁爆管发生。此外，水冷壁管内壁发生结垢情况后，该位置管壁金属温度将逐渐升高，使得水垢下炉水浓度不断增高，水质会受到严重影响，管壁的保护膜会溶解于炉水中，一旦管壁的金属表面暴露在炉水中就会被腐蚀，当管壁腐蚀达到一定程度的情况下，在局部应力的作用下，管壁变薄位置就会出现鼓包、爆管等事故。

2电站锅炉水冷壁管失效控制措施

2.1管子宏观观察

水冷壁管子经目视观察，发现管子向火面有一条断续的贯穿裂纹，同时裂纹周边的外表面也有许多微裂纹。管子的向火面内表面也有许多微裂纹。管子的向火面和背火面壁厚不同，向火面管子壁厚仅有3mm，背火面管子壁厚为5mm，可见管子向火面减薄严重。

2.2金相分析

对取样管段进行金相检测，并根据标准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。管子向火面（爆口边缘）及背火面（爆口背面）的金相组织均为珠光体和铁素体。珠光体区域开始分散，其组成仍较为致密，基本保持原有形态，珠光体球化评级均为2级。外壁腐蚀产物共分为三层，最外层较为疏松，存在较多孔洞；次外层相对最外层致密，但也存在部分孔洞；内层最为致密，与喷涂层结合紧密。

2.3微观形貌及能谱检测

使用AMRAY1830扫描电子显微镜，对爆口管段进行微观形貌检测，从衬度上可以看出，水冷壁管外壁腐蚀产物截面共分为三层，最外层颜色最浅，较为疏松，含有较多颗粒状物质；次外层较最外层致密；内层与喷涂层结合紧密；喷涂层与基体之间存在较多孔隙和裂纹，结合不是很紧密。腐蚀产物表面存在大量的孔洞和裂纹，较为疏松脆硬。

对外层腐蚀产物的表面和截面进行能谱检测。可见外层腐蚀产物的表面主要由Fe元素、Al元素、S元素、Si元素组成，S元素含量最高。

外层腐蚀产物的截面中1区全部为Fe元素，为管子基体；2区含有部分S元素和Cl元素；3区Al元素含量较高，为喷涂层与腐蚀产物混合区域；4区与5区成分基本一致，S元素含量较高，存在少量的Ca和K元素，为腐蚀产物和积灰沉积区域。

2.4内壁腐蚀物能谱分析（EDS)

为了分析水冷壁管腐蚀产物的成分，在向火面裂纹处切取一段试样，用蔡司EVO18扫描电镜观察样品显微形貌，用牛津能谱仪51-XMX1003对样品表面进行元素分析。

腐蚀产物主要是铁的氧化物，还有部分其他合金元素的氧化物，且含有一定量的硫化物和少量氯化物，说明水冷壁管表面除氧化腐蚀外还存在硫腐蚀和少量氯腐蚀。

在管壁内侧有裂纹的部位，取一小段进行微观形貌和能谱分析，腐蚀产物主要是铁的氧化物，还有部分其它合金元素的氧化物，内壁腐蚀物含有少量的硫化物，外壁腐蚀物除含有硫化物外，还含有少量氯化物。说明水冷壁管内壁有硫腐蚀，外壁有硫腐蚀和氯腐蚀。

2.5物相分析

取下附着在水冷壁管外壁的腐蚀产物，研磨成粉末，使用X’PertPro型X射线衍射仪进行物相分析，腐蚀产物的主要成分是FeS、Fe3O4及少量SiO2（非晶物相不能检出）。

2.6运行调整对受热面磨损的影响

在锅炉运行中，入炉煤颗粒度要严格按照规定进行配比，当粗颗粒较多时，炉内循环物料较少，较粗的床料颗粒将悬浮在燃烧室下部，这样就造成炉膛密相区燃烧份额过大，床温就难以控制，严重者还有可能造成炉膛结焦，运行中为了避免结焦，运行人员就会减少给煤量、增加一次流化风量，这样一来，就会造成锅炉不容易带负荷，达不到设计蒸发量。随着一次流化风量的增加，会造成烟气量增加，从而引风机负荷增加，排烟温度、飞灰浓度也会随之增加。另外，由于锅炉运行总风量的增大，对流受热面的烟气流速也会随之上升，烟气携带大颗粒床料将会急剧增加受热面的磨损，形成恶性循环。

当入炉煤细颗粒较多时，床层不容易建立，这样一来，密相区床温就不容易维持，即便是密相区的燃烧温度维持住了，较细的床料颗粒也将会被扬析，这样尾部烟道受热面的磨损也就加大了，并且烟道出口粉尘排放量也会超标。因此，除了以上所做的防磨措施外，我们又从运行调整上进一步控制磨损。(1）通过提高旋风分离器分离效率、增加返料量来控制床温，从而降低一次风量。(2）控制炉膛负压，降低烟气流速。(3）控制入炉煤及床料颗粒度，降低磨损。(4）提高布风板阻力，使床料流化更均匀。

结论

本次爆管产生的原因为硫化物型高温腐蚀。建议对喷燃器区域内出现高温腐蚀的水冷壁管向火侧管壁厚度进行测量，更换厚度低于设计厚度1/3的管子；改善燃煤质量，采用的含硫量低的燃煤；对喷燃器区域出现高温腐蚀的水冷壁管表面进行喷涂处理，减缓高温腐蚀的腐蚀速率。

参考文献：

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[2]刘帅，蔡勖，艾百仁.某电厂水冷壁高温硫腐蚀分析及措施探讨[J].锅炉制造，2020(6):32-33.