分享：某200MW 燃煤电厂锅炉水冷壁管泄漏原因

赵林松,马芹征,赵朋飞,刘献良 

(苏州热工研究院有限公司,苏州 215004) 

摘 要:某200MW 燃煤电厂锅炉水冷壁管在 A 级检修水压试验过程中发生泄漏。采用宏观 观察、拉伸试验、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了该水冷壁管泄漏的原因。结果表 明:因锅炉水质较差、停炉保护不到位、管子传热不良等原因,使富含氧化铁及氧化铜的水渣在锅炉 水冷壁管向火面内壁产生沉积,形成垢下氢腐蚀,造成管子强度降低,最终导致管子泄漏。 

关键词:燃煤电厂;水冷壁管;泄漏;垢下氢腐蚀 

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)03-0063-03

某 200 MW 燃 煤 电 厂 锅 炉 型 号 为 HG-670/ 140-6,额定蒸发量为670t/h,于1984年9月投产。 锅炉的主要参数包括:过热蒸汽温度540℃;过热蒸 汽压力 13.73 MPa;再 热 蒸 汽 进 出 口 温 度 分 别 为 323 ℃和540 ℃,再 热 蒸 汽 进 出 口 压 力 分 别 为 2.6MPa和2.4MPa,汽包工作压力15.69 MPa,给 水温度240 ℃。该机组水冷壁管的材料为 Q245R 钢,规格为?60mm×6mm,在2020年10月的 A 级检修水压试验过程中发生泄漏,截至取样时,该水 冷壁管累计运行约2.3×105h。 

为了分析水冷壁管的泄漏原因,保障锅炉安全、稳 定运行,笔者对该泄漏管进行了一系列检验与分析。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

水冷壁管泄漏位置在向火面,泄漏处管子内壁 存在明显的腐蚀产物堆积现象,如图1a)所示。经 渗透探伤发现,管子外壁有长度约为5mm 的轴向 裂纹,如图1b)所示。在泄漏处截取环形试样,通过 宏观观察发现,泄漏处管子内壁厚度明显减薄,该处 剩余壁 厚 约 为 2.0 mm,未 减 薄 处 管 子 壁 厚 约 为 6.0mm,减薄率达66.7%,裂纹由管子内壁贯穿至 外壁,如图1c)所示。

1.2 拉伸试验 

依据 GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》标准,在泄漏水冷壁管向 火面和背火面位置分别截取室温拉伸弧形试样,采 用岛津AG-IC型万能材料试验机进行室温拉伸试验。如表1所示,管子向火面和背火面的室温拉伸 性能均符合 GB/T5310-2017《高压锅炉用无缝钢 管》标准对 Q245R 钢的技术要求,管子向火面的抗 拉强度和屈服强度略低于管子背火面的。 

1.3 扫描电镜及能谱分析

采用捷克 VEGA TS5136XM/Integrated型分 析型扫描电镜(SEM)及一体化能谱电子背散射衍 射微观分析系统,对水冷壁管泄漏处内壁和裂纹边 缘的腐蚀产物层进行能谱分析,结果见表2和图2。 可知腐蚀产物层主要为铁和铜及其氧化物,还存在 微量的硫元素。 

1.4 金相检验 

在水冷壁管外壁基体及裂纹处截取环形试样, 切割及磨抛过程均采用循环冷却水系统,以避免试 样加工过热导致组织变化。采用 ZEISS Axiovert 200MA 型金相显微镜对试样的显微组织进行观察。

由图3可知:水冷壁管基体组织为铁素体+珠 光体,晶粒度为8级,珠光体呈聚集状态,未见明显 球化,组织正常;管子泄漏处主裂纹由内壁腐蚀坑底部向外壁延伸,主裂纹附近存在大量微裂纹,主裂纹 及微裂纹均呈现典型的沿晶扩展的形貌特征,裂纹 边缘有腐蚀产物;裂纹尖端处珠光体脱碳现象明显。 2 分析与讨论 该水冷壁管泄漏位置在向火面。一般情况下, 水冷壁管向火面的运行温度高于背火面的运行温 度。拉伸试验结果表明,管子向火面的抗拉强度和 屈服强度略低于背火面的,这说明该水冷壁管向火 面所处的环境温度长期高于背火面的温度。有研究 表明,水冷壁管的温度越高,其内壁沉积物种类越 多,腐蚀 速 率 越 快,盐 类 沉 积 和 内 壁 腐 蚀 就 越 严 重[1]。内壁沉积物主要是由给水管路带来或停炉时 形成含有氧化铁及氧化铜的水渣。当水渣在较高温 度的水冷壁管向火面内壁处沉积时,会发生如式(1) 和(2)的反应。4Fe2O3 +Fe→3Fe3O4 (1) 4CuO+3Fe→ Fe3O4 +4Cu (2) 上述反应以电化学方式进行,沉积的水渣为阴 极,管壁金属作为阳极不断被腐蚀.当给水中有氧元 素时,氧在阴极起去极化作用,促进管壁金属的腐 蚀[2]。盐类沉积物形成结垢后会造成传热不良,进一 步使管壁温度升高。当管壁温度升高至400℃以上 时,碳钢水冷壁管蒸汽侧会发生如式(3)的反应[3]。 3Fe+4H2O → Fe3O4 +8[H] (3) 当生成的氢原子不能较快地被气流带走时,氢原 子就会进入管子基体,在高温下引起金属组织发生变 化,使管子表面发生脱碳并出现裂纹,造成氢腐蚀。 氢与碳钢中的碳发生的反应如式(4)~(6)所示。 C+4[H]→ CH4↑ (4) C+2H2 → CH4↑ (5) Fe3C+2H2 →3Fe+CH4↑ (6) 上述反应单方向地向生成甲烷的方向进行,甲 烷体积较大,不能溶于钢中或向外扩散,易在缝隙处 积聚。缝隙中的甲烷分子含量达到一定程度时,将 会产生高达数千兆帕的局部高压,使缝隙处承受很 大的应力[2]。靠近管子表面的缝隙会形成鼓泡,管 子内部的缝隙则会形成裂纹,严重降低管子的力学 性能,最终使管子在运行中泄漏或爆裂。

综上所述,要减少类似的水冷壁管泄漏问题,关 键在于保证锅炉水的质量和控制结垢生成。锅炉运 行时,应按照 DL/T438-2016《火力发电厂金属技 术监督规程》标准要求,严格控制锅炉水质、检查凝 汽器严密性[4],按规定定期对水冷壁管内壁进行清 洗,除去水冷壁管内壁的附着物。提高无损检测和 壁 厚 检 测 频 率,并 在 泄 漏 点 附 近 利 用 频 率 为 5MHz的小尺寸晶片横波超声波探头检测锅炉水 冷壁管内壁的腐蚀状况,当发现水冷壁管存在宏观 裂纹、鼓包、泄漏、减薄等情况时,应及时更换相应 管段[5]。 

3 结论及建议

(1)该水冷壁管泄漏的主要原因是锅炉水品质 较差、停炉保护不到位、管子传热不良等造成富含氧 化铁及氧化铜的水渣在水冷壁管受热面内壁产生沉 积,形成垢下氢腐蚀,造成管子强度降低,最终导致 管子泄漏。 

(2)建议加强热力除氧器的运行管理,保证除 氧效率,严格控制水中除氧剂联氨的过剩量,以防止 氧腐蚀,定期检测给水中铁和凝结水中铜的含量,及 时清洗水冷壁管内壁附着物。 

参考文献: [1] 龙会国,谢国胜,龙毅,等.锅炉水冷壁管沉积物下氧 化腐蚀特征及其机理[J].腐蚀与防护,2014,35(6): 579-583. (上接第65页) [2] 李彦林.锅炉热管失效分析及预防[M].北京:中国电 力出版社,2006. [3] 王敏.锅炉水冷壁腐蚀及爆裂的原因分析和防止对策 [J].腐蚀与防护,2006,27(4):215-216. [4] 王鹏举,王荣文,张宗棠,等.锅炉水冷壁腐蚀失效的 原因[J].腐蚀与防护,2016,37(3):255-258,262. [5] 龙会国,邓宏平,何朋飞,等.锅炉水冷壁管沉积物下 腐蚀损伤特征及其超声检测[J].无损检测,2014,36 (6):19-23.

< 文章来源>材料与测试网 >