謝億，陳紅冬，楊湘?zhèn)?，胡浩?/p>

(1．湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007;2．湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410007)

湖南省某化工企業(yè)熱電廠的3號(hào)鍋爐由武漢鍋爐集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為WGZ－240/10.3－I，于1998年投入運(yùn)行。近年來(lái)，該鍋爐頻發(fā)爆管，2010年8月又發(fā)生1次爆管事故。

1 試驗(yàn)方法與分析

1.1 宏觀檢查

水冷壁材質(zhì)為20G，設(shè)計(jì)規(guī)格為Φ60 mm×5 mm，爆口管子表面沒(méi)有明顯的氧化皮，也無(wú)脹粗和鼓包。爆口呈天窗型，其邊沿?zé)o塑性變形，呈脆性失效特征，管內(nèi)壁存在腐蝕剝落，其中脫落嚴(yán)重部分壁厚僅1.9 mm，不到設(shè)計(jì)壁厚的40%，見圖1。管內(nèi)壁其它部位還有多處潰瘍型腐蝕剝落，腐蝕現(xiàn)象較為普遍。爆管處管壁存在明顯的分層，其組織在4%硝酸酒精的作用下呈現(xiàn)明顯顏色差異，見圖2。

圖1 爆口形貌

1.2 金相組織分析

爆口處的金相組織存在明顯的分層，見圖3(a)，管外壁側(cè)金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化1.5級(jí)，組織正常，見圖3(b)。管內(nèi)壁側(cè)顯微組織絕大部分是白色的鐵素體，幾乎沒(méi)有黑色的珠光體存在，說(shuō)明管內(nèi)壁存在脫碳現(xiàn)象，見圖3(c)，脫碳嚴(yán)重區(qū)域厚度達(dá)到4.5 mm，占到設(shè)計(jì)壁厚的90%。脫碳區(qū)有黑色條狀顯微裂紋，沿著鐵素體晶界分布，見圖3(d)。這些顯微的沿晶裂紋是肉眼看不到的，它們的存在破壞了金屬晶粒之間的聯(lián)系，致使金屬的強(qiáng)度和塑性降低〔1〕。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

在爆口向火側(cè)取1組試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1－1樣品斷裂位置存在內(nèi)壁缺陷，見圖4，試驗(yàn)結(jié)果不合格。其余樣品抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率均符合GB5310－2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》〔2〕標(biāo)準(zhǔn)要求，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

圖2 爆管處管壁形貌特征 (4%硝酸酒精)

圖3 爆口處金相組織

表1 拉伸試驗(yàn)力學(xué)性能

圖4 1－1拉伸試樣斷裂處形貌

1.4 母材成分分析

化學(xué)成分分析結(jié)果顯示，爆管試樣的S含量為0.021%，雖然不符合GB 5310－2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求，但是該鍋爐是在1998年投運(yùn)的，應(yīng)該按照舊標(biāo)準(zhǔn)GB 5310－1995《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》〔3〕進(jìn)行評(píng)估。因此，爆管試樣母材化學(xué)成分符合要求。具體分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 母材化學(xué)成分 %

1.5 垢物化學(xué)成分分析

圖7 爆管內(nèi)壁垢樣

圖7示出爆管內(nèi)壁結(jié)垢形貌，垢樣呈黃色，并分層剝落。取垢層樣灼燒并作成分分析，450℃灼燒減少0.38%，900℃灼燒減量為負(fù)數(shù)。成分分析表明管內(nèi)附著物主要是氧化鐵垢，占68.05%，并混有磷酸鹽和鈣鹽水垢，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 結(jié)垢層各化學(xué)成分含量 %

1.6 爐水品質(zhì)

查看該熱電廠鍋爐運(yùn)行記錄，發(fā)現(xiàn)2009年11月7日前爐水的pH值明顯偏高，且沒(méi)有進(jìn)行磷酸鹽加氫氧化鈉處理，導(dǎo)致爐水的氧含量高。

2 氫腐蝕機(jī)理分析

綜合上述試驗(yàn)分析結(jié)果，可以判定此次爆管的原因?yàn)闅涓g。造成水冷壁管氫腐蝕爆管的原因是多方面的，主要有蒸汽腐蝕、堿性腐蝕和酸性腐蝕〔4〕。

蒸汽腐蝕主要發(fā)生在爐膛熱負(fù)荷較高區(qū)域，一般為水冷壁管的向火側(cè)。由于爐內(nèi)火焰中心偏斜、熱負(fù)荷分布不均，局部熱負(fù)荷變化幅度較大，造成局部管壁金屬溫度波動(dòng)和超溫，破壞了水冷壁管內(nèi)表面鈍化膜的連續(xù)性，而鈍化膜遭到破壞地方，就是氫腐蝕的發(fā)源地。當(dāng)管壁金屬溫度大于400℃，管內(nèi)產(chǎn)生汽水分層或蒸汽停滯時(shí)，就可能發(fā)生蒸汽腐蝕，其反應(yīng)式為:

產(chǎn)生的氫會(huì)擴(kuò)散到鈍化膜遭到破壞處的鋼管中，與鋼中的滲碳體進(jìn)行反應(yīng)，生成甲烷，使鋼基體脫碳。反應(yīng)式如下:

由于甲烷在鋼中的擴(kuò)散能力很低，大部分積聚在鋼基體的晶間，使晶間產(chǎn)生局部壓力 (最高可達(dá)到1.8×104MPa)，最終導(dǎo)致晶間裂紋產(chǎn)生。

堿性腐蝕是由于爐水中的pH值過(guò)高，從而產(chǎn)生游離的氫氧化鈉在水冷壁管內(nèi)側(cè)垢物下發(fā)生濃縮，使得爐管內(nèi)表面的保護(hù)膜溶解。暴露出來(lái)的鋼管新鮮表面與爐水中的游離氫氧化鈉反應(yīng)生成氫原子和亞鐵酸鈉，其化學(xué)反應(yīng)式為:

一旦形成腐蝕產(chǎn)物，由于熱阻大，導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物下局部金屬基體的溫度進(jìn)一步升高，鹽類進(jìn)一步濃縮，兩者互相促進(jìn)，使腐蝕加劇。由于亞鐵酸鈉水解為Fe3O4和氫原子，在一定的情況下氫原子還會(huì)向金屬內(nèi)部滲透，進(jìn)而產(chǎn)生氫腐蝕。

酸性腐蝕是在爐水的pH值過(guò)低時(shí)發(fā)生，通過(guò)破壞管內(nèi)壁的保護(hù)膜使具有腐蝕性的爐水可以直接與鋼鐵基體發(fā)生如下的反應(yīng):

反應(yīng)生成原子態(tài)氫，而氫擴(kuò)散至鋼內(nèi)部與鋼中的碳反應(yīng)，生成甲烷，進(jìn)而使鋼基體脫碳，產(chǎn)生氫腐蝕。

鍋爐在運(yùn)行工程中，其運(yùn)行工況和工質(zhì)不盡相同，同時(shí)，上述腐蝕形式又相互作用、相互影響，腐蝕機(jī)理較為復(fù)雜。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)了解，并查閱相關(guān)運(yùn)行記錄，認(rèn)為蒸汽和堿性腐蝕 (尤其堿性腐蝕)是本次氫腐蝕爆管的主要原因，其理由如下:(1)該機(jī)組啟停頻繁，平均每年超過(guò)10次，且停爐保養(yǎng)方法單一，只進(jìn)行給水充壓保養(yǎng)，針對(duì)性不強(qiáng)。由于充壓保養(yǎng)水來(lái)自低壓除氧器出水，氧氣含量高，鐵沉積加快，停用期間鍋爐腐蝕加重。 (2)排污不當(dāng)，尤其是定排長(zhǎng)期不到位，加快了爐水中的鐵沉積。(3)鍋爐超過(guò)化學(xué)清洗規(guī)定年限而沒(méi)有進(jìn)行酸洗，大大加重了爐管的結(jié)垢。2010年水冷壁和冷灰斗割管進(jìn)行垢量分析，水冷壁垢量為425.06 g/m2，冷灰斗結(jié)垢量716.78 g/m2，均達(dá)到需要進(jìn)行化學(xué)清洗的要求。(4)鍋爐燃用非設(shè)計(jì)煤種或超負(fù)荷出力運(yùn)行，其火焰中心上移且發(fā)生偏斜，導(dǎo)致壁溫升高，結(jié)垢加重。

3 結(jié)論

此次水冷壁爆管屬于典型的氫腐蝕。蒸汽和堿性腐蝕，尤其堿性腐蝕是本次氫腐蝕爆管的主要原因。

4 處置建議

水冷壁一旦發(fā)生氫腐蝕，處置時(shí)涉及的部門較多，包括鍋爐專業(yè)、金屬專業(yè)、化學(xué)專業(yè)以及相關(guān)的運(yùn)行部門。鍋爐的運(yùn)行監(jiān)督要到位，需及時(shí)調(diào)整爐膛的火焰中心位置和燃燒帶的面積，避免熱負(fù)荷分布不均。應(yīng)定期進(jìn)行水冷壁管取樣分析，檢查其內(nèi)壁的腐蝕情況，及時(shí)更換已發(fā)生腐蝕的管段。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)汽水品質(zhì)的監(jiān)測(cè)，按《火力發(fā)電廠水汽化學(xué)監(jiān)督導(dǎo)則》的相關(guān)規(guī)定定期進(jìn)行鍋爐的化學(xué)清洗。另外，機(jī)組盡量在額定工況下運(yùn)行，避免頻繁啟停，做好停爐保養(yǎng)，加強(qiáng)排污處理，確保定排和連排到位。

氫腐蝕形成速度快，破壞性和隱蔽性強(qiáng)，嚴(yán)重危害電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電廠各個(gè)專業(yè)與運(yùn)行部門應(yīng)該相互協(xié)調(diào)，共同做好防止工作，以減少和消除因氫腐蝕導(dǎo)致的爆管事故。

〔1〕張常樂(lè)，徐德剛.鍋爐水冷壁爆管原因分析〔J〕．山東電力技術(shù)，2008，(4):35-37．

〔2〕GB5310－2008高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管〔S〕．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

〔3〕GB5310－1995高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管〔S〕．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995．

〔4〕崔侖，孫凱，陳俊峰.電站鍋爐水冷壁管的氫腐蝕〔J〕.吉林電力，2004，(5):40-43．

〔5〕DL/T561－1995火力發(fā)電廠水汽化學(xué)監(jiān)督導(dǎo)則〔S〕．北京:中國(guó)電力出版社，1995．