梁慧超 王 碩 郝維勛

（1.黑龍江省江河流域保護(hù)中心 哈爾濱 150046)

（2.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 哈爾濱 150046)

電站鍋爐的水冷壁,是布置在爐膛四周的、以水或汽水混合物為管內(nèi)介質(zhì)的受熱面,主要作用是吸收爐膛內(nèi)火焰燃燒產(chǎn)生的熱量,并保護(hù)爐墻。水冷壁的吸熱,主要通過輻射方式進(jìn)行[1]。水冷壁在鍋爐“四管”中的溫度相對較低,所用材質(zhì)等級也相對較低,一般以碳鋼和低合金鋼為主,耐蝕性能較差,在一般的腐蝕環(huán)境下即會(huì)發(fā)生不同程度的腐蝕[2]。SA-210M Gr.C是一種鍋爐和過熱器用碳錳鋼,屬珠光體型熱強(qiáng)鋼[3],在工作溫度低于500 ℃的鍋爐水冷壁、省煤器等部件上得到了大量的應(yīng)用。水冷壁運(yùn)行環(huán)境苛刻,最常見的失效方式是高溫腐蝕失效,包括硫腐蝕、氫損傷、垢下腐蝕等等[4]。

某電廠亞臨界機(jī)組燃?xì)忮仩t,鍋爐功率為80 MW,通過水壓試驗(yàn)和168 h 試運(yùn)行后,于2022 年4 月開始正常運(yùn)行,持續(xù)運(yùn)行11 個(gè)月后,進(jìn)行停爐檢修。檢修完成后開展水壓試驗(yàn)對鍋爐的密封性進(jìn)行試驗(yàn),期間發(fā)現(xiàn)水冷壁鋼管泄漏,泄漏位置在爐膛左側(cè)水冷壁上部的向火面,泄漏管子的宏觀形貌見圖1。發(fā)生泄漏的位置距離工地焊口處約200 mm,鋼管為SA-210M Gr.C 材質(zhì)的內(nèi)螺紋管,公稱規(guī)格φ38 mm×4.5 mm,設(shè)計(jì)運(yùn)行壁溫約410 ℃。本文通過對發(fā)生泄漏鋼管的宏觀形貌觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測、金相組織觀察和掃描電鏡分析等,查找確認(rèn)導(dǎo)致鋼管發(fā)生泄漏的原因。

圖1 發(fā)生泄漏鋼管宏觀形貌

1 宏觀分析

發(fā)生泄漏的水冷壁內(nèi)螺紋管的宏觀形貌見圖1,鋼管外表面裂紋總長度約10 mm,裂紋沿鋼管縱向延伸。鋼管整體平直,未發(fā)現(xiàn)明顯的脹粗、彎折、磨損等變形損傷,外表面有浮銹,無明顯積灰或結(jié)焦現(xiàn)象。從樣管的宏觀形貌分析,縱向裂紋的存在是導(dǎo)致發(fā)生泄漏的直接原因。將鋼管沿縱向剖開,對內(nèi)壁形貌進(jìn)行觀察,見圖2,泄漏處鋼管內(nèi)壁被黑色的腐蝕產(chǎn)物覆蓋,腐蝕產(chǎn)物較致密,且附著比較牢固,腐蝕產(chǎn)物表面形狀不規(guī)則,并有少量紅褐色腐蝕產(chǎn)物。

圖2 發(fā)生泄漏鋼管內(nèi)壁宏觀形貌

2 化學(xué)成分分析

在鋼管泄漏位置附近截取試樣,進(jìn)行化學(xué)成分分析?；瘜W(xué)成分分析參照ASTM A751—2021《鋼制品化學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)[5]執(zhí)行,分析所用設(shè)備為德國斯派克公司生產(chǎn)的M8 型光電直讀式光譜儀,化學(xué)分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明,鋼管的化學(xué)成分符合ASME SA-210M—2021《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管子》的要求,且化學(xué)成分不存在測量值接近標(biāo)準(zhǔn)要求限制的情況。

表1 化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

3 力學(xué)性能檢驗(yàn)

由于鋼管的長度限制,不便于加工拉伸試樣,因此在裂紋附近取樣進(jìn)行硬度檢測。硬度檢測所用設(shè)備為TH-300 型洛氏硬度計(jì),硬度檢測參照ASME SA-370—2019《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》標(biāo)準(zhǔn)[6]執(zhí)行。硬度檢測結(jié)果見表2。鋼管的力學(xué)性能（硬度值）符合ASME SA-210M—2021 的要求。

表2 硬度值 HRB

4 金相檢驗(yàn)

在鋼管裂紋處沿鋼管橫向取金相試樣,并經(jīng)過磨制、拋光后,使用4%的硝酸酒精對試樣橫截面進(jìn)行浸蝕,采用Axiovert 200 Mat 光學(xué)顯微鏡對試樣的顯微組織進(jìn)行觀察。鋼管裂紋處橫截面宏觀形貌見圖3,裂紋附近內(nèi)壁發(fā)生嚴(yán)重腐蝕,腐蝕產(chǎn)物呈黑色、致密、堅(jiān)硬,腐蝕導(dǎo)致鋼管實(shí)際有效壁厚大幅度減薄,剩余有效壁厚僅為公稱壁厚的1/3 左右。裂紋在腐蝕產(chǎn)物的集中位置產(chǎn)生,鋼管內(nèi)壁腐蝕是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的直接原因。

圖3 鋼管裂紋處橫截面宏觀形貌

對鋼管橫截面裂紋附近及遠(yuǎn)離裂紋處的金相組織進(jìn)行觀察,見圖4 和圖5。鋼管不同位置的金相組織均為鐵素體+珠光體,晶粒度較細(xì),平均晶粒度9 級。裂紋附近的金相組織,以鐵素體為主,珠光體含量較少,存在較嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象,且除裂紋位置外,基體的金相組織中也能觀察到多道微小的裂紋；遠(yuǎn)離裂紋處的金相組織為SA-210M Gr.C 材料的正常組織,帶狀組織不明顯,不會(huì)影響材料的性能。

圖4 鋼管裂紋處橫截面金相組織

圖5 鋼管遠(yuǎn)離裂紋處橫截面金相組織

5 掃描電鏡觀察

為確定腐蝕產(chǎn)物的成分、查找產(chǎn)生腐蝕的原因,對磨制、拋光后的橫截面金相試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析,所用設(shè)備為Apollo 300 型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡和布魯克Quantax 30 能譜儀。腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果見圖6。從能譜照片中可以看出,腐蝕產(chǎn)物較致密,且存在不規(guī)則的分層現(xiàn)象,層間多連接較緊密。根據(jù)能譜分析的結(jié)果,腐蝕產(chǎn)物主要為Fe 的氧化物,未發(fā)現(xiàn)明顯的S、Cl 等相關(guān)的腐蝕產(chǎn)物。

圖6 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對鋼管的宏觀觀察分析,鋼管外表面裂紋總長度約10 mm,裂紋沿鋼管的縱向擴(kuò)展,裂紋寬度不足1 mm。從鋼管的外表面宏觀形貌觀察,鋼管整體平直,未發(fā)現(xiàn)明顯的脹粗、彎折、磨損等變形損傷,外表面有浮銹,無明顯積灰或結(jié)焦現(xiàn)象,說明鋼管在生產(chǎn)、制造、運(yùn)輸、安裝以及運(yùn)行等過程中,未造成鋼管明顯的機(jī)械損傷。鋼管未受到明顯機(jī)械損傷而發(fā)生泄漏,且裂紋沒有呈現(xiàn)向外擴(kuò)張的喇叭狀,說明短時(shí)或長時(shí)超溫不是造成鋼管泄漏的直接原因。將鋼管沿縱向剖開后觀察內(nèi)壁形貌發(fā)現(xiàn),裂紋附近鋼管內(nèi)壁存在大量的黑色腐蝕產(chǎn)物,并有少量紅褐色腐蝕產(chǎn)物存在。黑色腐蝕產(chǎn)物較致密,且附著比較牢固,腐蝕產(chǎn)物表面形狀不規(guī)則,說明鋼管內(nèi)壁的腐蝕可能是導(dǎo)致鋼管泄漏的直接原因。

通過檢測,鋼管的化學(xué)成分和力學(xué)性能（硬度）符合ASME SA-210M—2021 的要求,遠(yuǎn)離裂紋處的金相組織為鐵素體+珠光體,晶粒度9 級,屬于SA-210M Gr.C 材質(zhì)的典型金相組織,說明用于制造水冷壁的鋼管性能能夠滿足要求。裂紋附近的金相組織雖然是鐵素體+珠光體組織,但珠光體含量極少,發(fā)生了明顯的脫碳現(xiàn)象。SA-210M Gr.C 鋼管發(fā)生脫碳后,隨著珠光體數(shù)量的減少,鋼管的強(qiáng)度也會(huì)隨之降低。脫碳導(dǎo)致的鋼管強(qiáng)度降低,可能是誘發(fā)裂紋并導(dǎo)致鋼管泄漏的原因之一。

觀察鋼管橫截面宏觀形貌發(fā)現(xiàn),裂紋附近內(nèi)壁大量的黑色致密腐蝕產(chǎn)物,已導(dǎo)致壁厚減薄至公稱壁厚的1/3 左右。根據(jù)能譜分析結(jié)果,腐蝕產(chǎn)物主要是Fe的氧化物。結(jié)合裂紋附近的金相組織觀察結(jié)果,腐蝕結(jié)垢導(dǎo)致壁厚減薄,顯微組織出現(xiàn)明顯的脫碳現(xiàn)象,且存在多個(gè)細(xì)小的微裂紋,該腐蝕現(xiàn)象和形貌特征符合垢下腐蝕中酸性腐蝕的特征,即當(dāng)鍋爐中的介質(zhì)pH值較低時(shí),爐水中的H+會(huì)與鋼管內(nèi)壁鈍化膜發(fā)生反應(yīng)并消耗鈍化膜,同時(shí)在運(yùn)行壓力的作用下,氫會(huì)向鋼材基體內(nèi)部擴(kuò)散,并與鐵碳化合物發(fā)生反應(yīng),生成甲烷（CH4）和鐵素體,導(dǎo)致鋼材脫碳和強(qiáng)度降低[7]。由于CH4分子較大,在鋼材內(nèi)部擴(kuò)散困難,會(huì)在晶界上聚集,當(dāng)壓力足夠大時(shí),就會(huì)產(chǎn)生微裂紋。垢下腐蝕導(dǎo)致鋼管壁厚減薄,鋼管內(nèi)介質(zhì)中的氫在壓力作用下向基體內(nèi)擴(kuò)散并與鐵碳化合物發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致脫碳的同時(shí),生成的CH4聚集產(chǎn)生微裂紋,在壁厚減薄、發(fā)生脫碳強(qiáng)度降低和微裂紋的共同作用下,鋼管最終發(fā)生泄漏。

7 結(jié)論

1) 該水冷壁鋼管的化學(xué)成分和力學(xué)性能（硬度）符合標(biāo)準(zhǔn)要求,金相組織和晶粒度屬于SA-210M Gr.C 材質(zhì)的典型金相組織。

2) 該水冷壁鋼管發(fā)生泄漏的直接原因是鋼管減薄、脫碳并產(chǎn)生微裂紋,最終在運(yùn)行壓力作用下發(fā)生泄漏。

3）該水冷壁鋼管發(fā)生泄漏的根本原因是鍋爐用水中的pH 值過低,導(dǎo)致運(yùn)行過程中發(fā)生了垢下腐蝕中的酸性腐蝕。

4）根據(jù)酸性垢下腐蝕的形成機(jī)理,后續(xù)應(yīng)對鍋爐用水的品質(zhì)進(jìn)行控制,避免pH 值過低的現(xiàn)象發(fā)生,同時(shí)應(yīng)定期進(jìn)行腐蝕情況檢查。