王天鵬，聶曉波，劉曉龍，張得瀧，孫明成

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院,遼寧 沈陽 110006；2.遼寧東科電力有限公司,遼寧 沈陽 110179)

水冷壁作為吸收爐膛高溫火焰或煙氣輻射熱量的主要受體，是鍋爐的重要組成部件[1]。水冷壁的工作環(huán)境惡劣，在運行過程中極易發(fā)生故障而影響鍋爐安全穩(wěn)定運行[2]。因此，水冷壁是鍋爐定期檢驗時的重點關注對象之一[3-4]。

某熱電廠4臺機組于2016年底先后發(fā)生鍋爐水冷壁泄漏事故，其中1號、2號機組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司生產(chǎn)的HG-440/13.7-L.HM29型超高壓一次中間再熱循環(huán)流化床鍋爐。5號、6號機組鍋爐為北京鍋爐廠生產(chǎn)的BG-130/3.82-M4型單鍋筒自然循環(huán)煤粉爐。4臺機組的水冷壁設計材質(zhì)均為20G，泄漏水冷壁取樣位置及規(guī)格如下：①1號鍋爐水冷壁割管，水冷壁后墻標高23.0 m處左數(shù)第3根，規(guī)格為Φ60×6.5 mm；②2號鍋爐水冷壁割管，水冷壁南墻標高13.5 m處后數(shù)第3根、4根，規(guī)格為Φ60×6.5 mm；③5號鍋爐水冷壁割管，水冷壁前墻標高20.0 m處南數(shù)第13根、14根，規(guī)格為Φ60×5.0 mm;④6號鍋爐水冷壁割管，水冷壁南墻標高20.0 m處前數(shù)第40根，規(guī)格為Φ60 ×5.0 mm。

本文針對水冷壁泄漏原因進行失效分析，并提出針對性的治理措施。

1 試驗方法

對“送樣”進行宏觀分析后再切割取樣，用水磨砂紙對切割試樣逐級打磨至1200號，用去離子水清洗、丙酮脫脂、干燥，采用4%的硝酸酒精溶液進行侵蝕。采用Imager.Z2m激光共聚焦顯微鏡對鍍層形貌進行組織觀察。

依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，采用DV-6型定量直讀光譜儀對試樣化學成分進行分析，測3個點取平均值。所需分析樣品通過在水冷壁切取管段壓扁后打磨制成。

采用CMT5205型微機控制電子萬能試驗機進行常溫拉伸性能試驗，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對泄漏水冷壁進行拉伸試驗，每個水冷壁分別在向火側和背火側取樣進行拉伸試驗。

2 試驗結果分析

a.1號鍋爐泄漏水冷壁宏觀形貌分析及金相檢驗

對1號鍋爐泄漏水冷壁進行割管，整體宏觀形貌如圖1(a)所示，對泄漏區(qū)域進行放大如圖1(b)所示，泄漏區(qū)域周圍水冷壁外壁可見明顯的沖刷坑，呈對稱分布，其中圖1(b)左側的沖刷坑存在明顯漏洞。采用體式顯微鏡對圖1(b)中2個沖刷坑的對稱中心區(qū)域(圖1(c)中紅色虛線圓圈內(nèi))進行觀察，可見此區(qū)域有一沿外壁周向的裂縫存在。對1號鍋爐水冷壁沖刷坑區(qū)域進行切割并對水冷壁內(nèi)壁進行觀察，可見水冷壁外壁減薄區(qū)域所對應的內(nèi)壁腐蝕嚴重，呈潰瘍狀腐蝕，腐蝕區(qū)內(nèi)有較厚的褐色腐蝕垢，采用角向磨光機對內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物進行清理，直至露出水冷壁母材的金屬光澤，如圖1(d)所示?？梢娝浔趦?nèi)壁存在沿內(nèi)壁周向的裂紋，其對應的外壁位置正是圖1(c)所示的裂縫所在區(qū)域，可知其為沿壁厚方向的貫穿性裂紋。

(a)水冷壁割管整體宏觀形貌

(b)泄漏區(qū)域放大

(c)圖(b)虛線圈內(nèi)體式顯微照片

(d) 水冷壁內(nèi)壁形貌圖1 1號鍋爐泄漏水冷壁形貌

截取以上漏點位置附近區(qū)域進行金相觀察。1號鍋爐水冷壁內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物區(qū)域的金相組織如圖2(a)所示，可見其微觀組織有明顯的脫碳現(xiàn)象，珠光體區(qū)域極少甚至近乎消失，并可見沿晶裂紋。水冷壁裂紋區(qū)域的金相組織如圖2(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)裂紋兩側具有嚴重的脫碳現(xiàn)象，組織內(nèi)部可見細微的沿晶分布的微觀裂紋。而同為向火側(環(huán)向距最薄管壁處35 mm處)的金相組織為珠光體+鐵素體，球化等級2級，金相組織正常，如圖2(c)所示。背火側金相組織為珠光體+鐵素體，球化等級2級，金相組織正常，如圖2(d)所示。

(a)水冷壁內(nèi)壁腐蝕處金相組織

(b) 水冷壁裂紋處金相組織

(c) 水冷壁向火側金相組織

(d) 水冷壁背火側金相組織圖2 1號鍋爐水冷壁金相組織

b.2號鍋爐泄漏水冷壁宏觀形貌分析及金相檢驗

2號鍋爐水冷壁向火側外壁經(jīng)過激光熔覆處理，水冷壁割管外壁宏觀形貌如圖3(a)所示，可見水冷壁外壁開裂位置附近區(qū)域被褐紅色的腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，有較為明顯的沖刷痕跡。割管內(nèi)壁形貌如圖3(b)所示，可見水冷壁內(nèi)壁開裂區(qū)域附近腐蝕較為嚴重，腐蝕區(qū)呈亮灰色到紅褐色，質(zhì)地構成較為疏松，管壁減薄嚴重。

(a)水冷壁割管外壁形貌

(b)水冷壁割管內(nèi)壁形貌圖3 2號鍋爐泄漏水冷壁形貌

對2號鍋爐水冷壁取樣進行金相組織檢驗，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，水冷壁內(nèi)壁近腐蝕區(qū)域金相組織如圖4(a)所示，未呈脫碳形態(tài)且無沿晶裂紋存在，組織形貌為鐵素體+珠光體，球化等級2級，金相組織正常。接近激光熔覆區(qū)的熱影響區(qū)金相組織如圖4(b)所示，組織形貌依然為鐵素體+少量的珠光體+碳化物，球化等級3級。熔合線附近區(qū)域組織形貌如圖4(c)所示，可見熔合線區(qū)域兩側材料結合良好，熔合線左上方區(qū)域為激光熔覆合金區(qū)，其組織形貌為馬氏體，熔合線右下方為過熱區(qū)，組織形貌為鐵素體+珠光體，部分區(qū)域呈現(xiàn)魏氏體形態(tài)。2號鍋爐水冷壁背火側金相組織如圖4(d)所示，可見其金相組織為珠光體+鐵素體，球化等級2級，金相組織正常。

(a) 水冷壁向火側內(nèi)壁腐蝕物附近金相組織

(b) 水冷壁向火側熱影響區(qū)金相組織

(c)水冷壁向火側熔合線區(qū)域金相組織

(d) 水冷壁背火側金相組織圖4 2號鍋爐水冷壁金相組織

c.5號鍋爐泄漏水冷壁宏觀形貌分析及金相檢驗

5號鍋爐試樣沿向火側鰭片焊趾部位一側附近區(qū)域出現(xiàn)呈潰瘍狀的腐蝕凹坑，如圖5(a)所示，水冷壁外壁減薄較為嚴重，管壁厚度沿周向連續(xù)漸變。對凹坑區(qū)域進行放大觀察如圖5(b)所示，可見在外壁減薄較為嚴重處有泄漏點出現(xiàn)，泄漏口橫截面宏觀檢查發(fā)現(xiàn)泄漏口內(nèi)壁邊緣棱角清晰可見，其所在管段內(nèi)壁光滑，未見腐蝕麻坑。

(a)水冷壁割管宏觀形貌

(b) 水冷壁漏點區(qū)域放大圖5 5號鍋爐水冷壁外觀形貌

對泄漏點附近區(qū)域進行切割并對環(huán)向金相組織進行觀察，水冷壁向火側泄漏處金相組織如圖6(a)所示，組織形貌為鐵素體+珠光體，珠光體略呈帶狀分布，其片層狀結構清晰可辨，球化等級2級，金相組織正常。其向火側(環(huán)向距最薄管壁處40 mm處)金相組織同樣為珠光體+鐵素體，珠光體略呈帶狀分布，球化等級2級，金相組織正常，如圖6(b)所示。背火側金相組織如圖6(c)所示，組織形貌為珠光體+鐵素體，珠光體同樣略呈帶狀分布，球化等級2級，金相組織正常。

(a)水冷壁減薄處金相組織

(b) 水冷壁向火側金相組織

(c)水冷壁背火側金相組織圖6 5號鍋爐水冷壁金相組織

d.6號鍋爐泄漏水冷壁宏觀形貌分析及金相檢驗

6號鍋爐割管試樣的宏觀形貌如圖7(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)沿兩側向火側鰭片焊趾部位縱向均出現(xiàn)由外向內(nèi)的溝槽，溝槽深度2～4 mm，溝槽底部金屬表面無致密氧化層覆蓋，在溝槽深度較大區(qū)域有漏點出現(xiàn)。泄漏口橫截面宏觀形貌如圖7(b)所示，向火側兩邊鰭片焊趾部位均可見較深的腐蝕溝槽，腐蝕溝槽附近區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形，所在管段內(nèi)壁光滑，未見腐蝕麻坑。

(a)水冷壁割管漏點區(qū)域形貌

(b) 水冷壁橫截面形貌圖7 6號鍋爐水冷壁外觀形貌

6號鍋爐水冷壁向火側減薄處金相組織如圖8(a)所示，組織形貌為鐵素體+珠光體，球化等級2級，金相組織正常。在向火側(環(huán)向距最薄管壁處50 mm處)金相組織為珠光體+鐵素體，球化等級2級，金相組織正常，如圖8(b)所示。

(a) 水冷壁減薄處金相組織

(b)水冷壁向火側金相組織圖8 6號鍋爐水冷壁金相組織

3 水冷壁化學成分及力學性能分析

水冷壁成分分析結果如表1所示，其中樣品編號為水冷壁所在機組編號。由表1 可知，4臺機組水冷壁元素體積分數(shù)符合GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中20G的要求。

表1 水冷壁成分分析 單位：Wt %

水冷壁拉伸性能試驗結果如表2所示，由表2 可知，除2號鍋爐水冷壁外，水冷壁向火側抗拉強度、屈服強度及延伸率均低于背火側，并且4臺機組水冷壁的力學性能指標均符合GB/T 5310—2008 對20G的要求。

a.1號鍋爐水冷壁分析

1號鍋爐水冷壁的化學成分及拉伸性能滿足設計材質(zhì)(20G)相關標準要求，失效水冷壁泄漏處內(nèi)壁腐蝕嚴重，呈潰瘍狀腐蝕，腐蝕區(qū)內(nèi)有較厚的褐色腐蝕垢。金相組織分析顯示，內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物附近及裂紋處的組織中存在大量沿晶裂紋且有明顯的脫碳現(xiàn)象。因此，導致水冷壁失效原因應為垢下氫腐蝕開裂，而外壁呈對稱分布的沖刷坑應為管內(nèi)介質(zhì)從泄漏裂紋處向兩側沖刷所致。

表2 水冷壁拉伸性能試驗結果

氫腐蝕屬于垢下腐蝕的一種[5]，通常在水質(zhì)含有雜質(zhì)的情況下，發(fā)生在爐膛熱負荷較高的區(qū)域，如水冷壁向火側(尤其是焊縫位置或介質(zhì)流速較慢的管內(nèi))在較致密的沉積物下形成。其垢下反應為[6]

3Fe+4H2O→Fe3O4+8[H]

垢下腐蝕產(chǎn)生的氫原子不能很快地被汽水介質(zhì)帶走，氫原子沿晶界位錯間隙進入鋼材內(nèi)部，與鋼中的滲碳體發(fā)生如下反應。

4[H]+Fe3C→3Fe+CH4

氫原子在晶界反應生成的CH4后體積急劇膨脹，產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，造成晶間開裂，致使金屬晶粒之間的聯(lián)系遭到破壞，強度和塑性降低。隨著氫離子滲入基體深度加大，造成材料損傷的范圍也隨之加大，最終在外力作用下發(fā)生脆性破壞，裂紋周圍鋼中含碳量隨之減少，形成脫碳。

氫腐蝕發(fā)生原因是由于水質(zhì)劣化、鍋爐火焰偏燃、管內(nèi)介質(zhì)流速偏低等[7]。爐膛火焰偏燃會造成爐墻溫差較大，垢的形成速度和爐管熱負荷的平方成正比，爐管的熱負荷越高，沉積量越大，垢下濃縮和腐蝕越嚴重。管內(nèi)介質(zhì)流速緩慢使管內(nèi)更容易結垢，加速腐蝕速度。氫腐蝕與爐水的水質(zhì)有著密切關系，造成水質(zhì)劣化的原因為機組檢修期間汽水系統(tǒng)腐蝕、啟動沖洗不徹底、機組啟停頻繁、凝汽器泄漏、水處理旁路門不嚴、不適當?shù)乃嵯吹萚8]。

b.2號鍋爐水冷壁分析

2號鍋爐水冷壁的化學成分及拉伸性能滿足設計材質(zhì)(20G)相關標準要求，水冷壁開裂位置位于水冷壁向火側，該側由于激光熔覆材料的存在且熔覆材料區(qū)域呈現(xiàn)馬氏體狀態(tài)，在一定程度上利于提升水冷壁外壁的耐磨性[9]。熔覆材料與基體母材呈現(xiàn)良好的結合狀態(tài)，雖然水冷壁割管外壁有一定的沖刷痕跡，但外壁減薄并不明顯。水冷壁內(nèi)壁存在較為劇烈的腐蝕，蝕坑底部母材區(qū)域未見脫碳層及沿晶微裂紋，由宏觀形貌及金相組織特征可知，泄漏的主要原因是內(nèi)壁腐蝕減薄所致，內(nèi)壁腐蝕具有垢下堿性腐蝕特征[10]。

造成水冷壁發(fā)生垢下腐蝕的原因[11]為爐水的水質(zhì)較差，水中雜質(zhì)在管壁上沉積即結垢。沉積物本身的導熱性相對較差，使位于其下面的金屬壁溫升高，使處于金屬壁面與沉積物之間的爐水出現(xiàn)濃縮現(xiàn)象，受沉積物影響，這部分爐水很難與管道內(nèi)其他部分的水進行介質(zhì)交換及混合。如果爐水pH值控制不好呈堿性，由于垢下介質(zhì)濃縮，垢下介質(zhì)呈強堿性，對基體金屬具有很強的腐蝕作用，使基體金屬不斷被腐蝕。當這種腐蝕出現(xiàn)后，會在金屬表面形成凹凸不平的腐蝕坑，其腐蝕產(chǎn)物呈疏松狀，被腐蝕位置的金屬機械性能下降。隨著腐蝕程度加深，管壁減薄，直至剩余壁厚強度不足時引發(fā)泄漏或爆管。管內(nèi)介質(zhì)流速對垢下腐蝕影響較大，流速越低管內(nèi)越易結垢，也就越易發(fā)生垢下腐蝕。

c.5號鍋爐和6號鍋爐水冷壁分析

5號鍋爐和6號鍋爐的金相組織為正常的鐵素體+珠光體，不存在高溫和應力長期作用發(fā)生失效的可能；焊縫附近未見未焊透、氣孔、咬邊等焊接缺陷，不存在焊接質(zhì)量不好導致開裂的可能；向火側鰭片焊趾部位出現(xiàn)由外向內(nèi)的腐蝕痕跡，內(nèi)壁邊緣棱角銳利且無可見蝕坑溝槽，底部金屬表面無致密氧化層覆蓋，說明水冷壁泄漏源于管外壁。通過對比水冷壁泄漏口外壁邊緣和管壁減薄部位的表面形貌，結合管壁減薄區(qū)的壁厚變化規(guī)律可知水冷壁失效是由于腐蝕所致?？紤]水冷壁割管所處位置，其受腐蝕的主要原因在于SNCR噴射系統(tǒng)的噴槍噴射的尿素溶液[12]。尿素溶液在一定條件下具有較強的腐蝕性[13]，鍋爐SNCR脫硝工藝是把尿素溶液噴入爐膛溫度800～1000 ℃的區(qū)域，在無催化劑作用下，尿素中的氨基還原煙氣中的NOx。當尿素溶液霧化效果不好形成液滴，并滴落或噴射至溫度較高的水冷壁上時，尿素溶液分解出NH3，而NH3和煙氣中的CO2在高溫下異構生成氰酸銨(NH4CNO)。氰酸銨在溶液中離解出游離的氰酸根(CNO-)，CNO-具有較強的還原性[14]，使鈍化型金屬不易形成鈍化膜，從而產(chǎn)生嚴重的活化腐蝕。

根據(jù)電化學腐蝕理論[15]，在應力超過材料屈服強度的部位易發(fā)生電化學腐蝕。膜式水冷壁在制造及安裝過程中(如水冷壁管鰭片焊接)會引起一定的應力集中，并與基體形成電位差，使內(nèi)應力較大部位成為腐蝕電池的陽極，引發(fā)電化學腐蝕。

4 結論

a.4臺機組鍋爐水冷壁的化學成分和拉伸性能測試結果均滿足設計材質(zhì)(20G)相關標準要求。

b.1號鍋爐水冷壁泄漏原因為垢下氫腐蝕。為了控制和預防氫腐蝕的發(fā)生，建議做好以下工作：①調(diào)整鍋爐燃燒器的火焰噴射角度，盡量避免造成局部溫度過高；②穩(wěn)定工況,防止汽水循環(huán)不良；③保持鍋爐運行中排污系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)；④ 提高給水、爐水品質(zhì)，將各項指標控制在標準范圍內(nèi)；⑤對鍋爐定期進行清洗，除去水冷壁內(nèi)壁沉積物。

d.5號鍋爐和6號鍋爐是向火側鰭片焊趾位置附近區(qū)域被尿素溶液局部腐蝕穿孔導致水冷壁泄漏。建議對以下幾個方面進行改進：①改進噴槍結構，優(yōu)化尿素溶液的霧化形式，克服噴槍漏流的缺陷；②改變噴槍與水冷壁面的夾角，在保證噴槍不被燒損的條件下增加噴槍伸進爐膛的深度；③在噴孔下部水冷壁部位加裝不銹鋼護板，外部敷耐火所料，防止啟停系統(tǒng)時的漏流與水冷壁管直接接觸；④定期對噴槍進行霧化效果檢查，及時更換霧化效果不達標的噴槍。