分享：某自备电厂锅炉水冷壁管穿孔原因

郭 丹1,彭章华1,张维科1,翟光杰2,何成文2,蒋 华3 

(1.西安热工研究院有限公司,西安 710032;2.内蒙古兰太实业股份有限公司,乌海 016000; 3.山西中电神头第二发电有限责任公司,朔州 036011) 

摘 要:某工业园区自备电厂锅炉水冷壁管在运行期间多次发生穿孔事故,通过内壁垢样分析 和金相检验等方法,结合现场工况,对水冷壁管的穿孔原因进行了分析。结果表明:锅炉内水的电 导率和SiO2 含量偏高,且现场缺少在线仪表监测,造成内壁结垢,继而引发了垢下局部碱腐蚀,造 成管壁减薄至无法承受工作应力而穿孔爆裂。 

关键词:水冷壁管;爆裂;垢下碱腐蚀;水质 中图分类号:TK223.3 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)03-0073-05

水冷壁管是电厂锅炉的基本部件,其内部流动 着高温水汽介质,外部吸收着炉膛辐射热量。长期 以来,因制造、超温、腐蚀等问题诱发的泄漏爆管事 件频频发生[1-5],严重威胁着机组的高效、稳定运行。 因此,及时分析产生原因和探究机理,是预防隐患和 解决问题的必要措施。 某自备火力发电厂于2005年1月投产运行,为 工业园区提供水、电、汽等综合服务。锅炉采用的是 UG-75/5.3-M14型中温中压循环流化床,锅炉的额 定蒸汽压力为5.3 MPa,额定蒸汽温度为 485 ℃。 炉膛水冷壁管采用全悬吊结构,由材料为20G 钢、 规格为?60mm×5 mm 的膜式管排列组成,炉膛 前、后、左、右墙分布的水冷壁管数量分别为59,59, 33,33根。2013年至今锅炉水冷壁多根管发生穿孔 事故,造成多起非计划停运事故。为找到水冷壁管 的穿孔原因,笔者对爆裂水冷壁管进行了一系列检 验与分析,以期减少该类事故的发生。 

1 理化检验

1.1 宏观分析

图1为穿孔水冷壁管的宏观形貌。由图1a)可 知,穿孔位置位于向火侧抓钉附近,为不规则穿孔, 边缘呈刀刃状,管外径为59.18~59.88mm,接近公 称外径60mm,管径未胀粗。由图1b)可知,背火侧 壁厚为5.12mm,接近公称壁厚(5mm),管壁未减 薄;然而,向火侧壁厚最薄部位不足1 mm,减薄现 象严重。由图1c)可知,管内壁附着坚硬、厚实且凹 凸不平的垢层。

1.2 内壁垢层分析 

采用 Axios型4.0kW 的 X射线荧光仪(XRF) 分析垢层的化学成分,结果如表1所示。可知垢样 的主要组成元素为氧、铁,同时还含有钙、镁、钠、硅、 铝、锌等元素。采用 UltimaIV 型 X 射线衍射仪(XRD)分析 垢层的物 相 组 成,结 果 如 图 2 所 示。可 知 主 要 物 相 为 Ca5 (PO4 )3OH, Mg2 (PO4 ) OH, (Fe,Zn)(Fe,Al)2O4,Fe2O3,Na2SiO3,碱式钙镁、氧 化铁和硅酸盐质量分数分别约为45%,32%,13%。 考虑到穿孔位置垢层破坏严重,因此选取穿孔 位置附近较完整的管段测量垢量。经洗垢、计算可 知,向火侧单位面积垢量为978.5g·m -2,背火侧单 位面积垢量为587.0g·m -2,洗垢前后管内壁形貌如图3所示。依据DL/T794-2012《火力发电厂锅 炉化学清洗导则》可知,管内壁结垢量大,且已超过 规定的清洗标准600g·m -2。

1.3 金相检验 

在水冷壁管的穿孔失效部位和远离穿孔未失效 部位分别制取横截面试样,采用光学显微镜对其进 行观察,显微组织形貌如图4所示。 由图4a)~c)可知,穿孔为穿晶断裂;穿孔处外 壁、心部及内壁均未见脱碳,且未见晶间微裂纹等氢 损伤现象。进一步观察图4c),可见内壁靠近垢层 的基体金属存在明显的腐蚀现象。根据 DL/T674 -1999《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》的 技术要求对远离穿孔部位的向火侧、背火侧进行观 察,可知显微组织均为铁素体+珠光体,球化级别 为1级,未球化,穿孔水冷壁管的显微组织正常。

1.4 现场检验

1.4.1 仪表设备 经现场检查可知,除混床出口电导表外,厂区其 他在线监测仪表均已损坏或缺失,仅依靠手工取样分 析;凝汽器管材料为黄铜,2011年前曾数次出现穿孔 泄漏,导致未经处理的冷却水直接混入锅炉系统。 1.4.2 水汽品质 采用 Cond3310 型电导率仪测水汽(氢)电导 率;采用 pHS-3C 型酸度计测水汽的 pH;采用 U- 2900型分光光度计测水汽中硅含量;采用Dionex- 500、ICS-1100AR 离 子 色 谱 仪 分 别 测 水 汽 中 阴 离 子、阳离子含量。 该自备电厂锅炉补给水以循环水、排污水为水 源,以黄河水、地下水为备用水源。 表2,3,4分别为给水中阴离子、阳离子、SiO2 含量和 氢 电 导 率、pH 的 测 试 结 果。由 表 2 可 知 PO4 3- 质 量 浓 度 最 低 为 2.88 μg·L -1、最 高 为 15.28μg·L -1,波动较大;其余阴离子含量无明显异 常。由表3可知各阳离子含量无明显异常。由表4 可知给水pH 为8.67,8.69,8.95,前两天的pH 低于 GB/T12145-2016《火力发电机组及蒸汽动力设备 水汽质量》对给水 pH 为8.8~9.4的要求;SiO2 质 量浓度为8.66,11.10,6.25μg·L -1,符合标准不大 于20μg·L -1的要求;氢电导率无明显异常。

表5,6,7分别为炉水中阴离子、阳离子、SiO2 含 量 和 电 导 率、pH 的 测 试 结 果。 结 合 GB/T 12145-2016 关 于 磷 酸 盐 处 理 炉 水 的 控 制 参 数 PO 3- 4 应为 5~15mg·L -1 和 缺 失 在 线 监 测、加 药 处 理 滞 后 等 问 题,表 5 中 PO 3- 4 质 量 浓 度 为 12.6mg·L -1时存在较大的超出限值风险,其余阴 离子含量无明显异常。表6中各阳离子含量无明 显 异 常。 由 表 7 可 知 电 导 率 为 39.9,55.8, 47.8μS·cm -1,波 动 较 大、整 体 偏 高;SiO2 质 量 浓 度最大为6036.1μg·L -1,异常偏高,极易造成锅 炉结硅酸盐 垢,并 且 可 能 导 致 蒸 汽 携 带 此 类 物 质 进入过热器和汽轮机系统;pH 无明显异常。 

2 分析与讨论 

水冷壁管穿孔为不规则穿孔,边缘呈刀刃状,管 壁未胀粗;向火侧内壁腐蚀减薄严重,附着坚硬且厚 实的碱式钙镁垢、氧化铁垢和硅酸盐垢;管内壁结垢 量超过标准的规定;穿孔处显微组织呈穿晶断裂形 貌,向火侧内壁靠近垢层的基体金属存在明显的腐 蚀现象,未见晶间微裂纹,显微组织正常。 根据现场检验可知,生产中缺失在线仪表监测; 凝汽器曾数次发生穿孔泄漏;给水中 PO4 3- 含量偏 大且波动明显;炉水中PO4 3- 含量接近限值,电导率 和SiO2 含量明显偏高。 依据以上特征判断该水冷壁管的穿孔原因是水 质不良造成了垢下碱腐蚀,局部腐蚀后管壁减薄,当 薄到不足以承受工作压力后发生穿孔[6-9]。 正常 运 行 时,炉 管 内 壁 会 形 成 一 层 致 密 的 Fe3O4 保护膜,反应式为 Fe+4H2O 高温 →Fe3O4 +4H2↑ (1) 然而,前期凝汽器泄漏,导致未经处理的冷却水 直接混入锅炉系统,引入大量盐分,加上没有在线仪 表的监测,不能及时调控加药量来抑制水垢的形成, 导致不良水质流转于锅炉中。高温环境下,炉水中 碱式钙镁盐、硅酸盐等溶解度下降,盐分析出,附着 在炉管内壁;同时,流动腐蚀还将产生氧化铁垢。 随着锅炉运行时间的增加,各类水垢不断积累, 垢层越来越坚硬、厚实,为垢下腐蚀提供了条件。由 于垢层传热性能差,炉管管壁温度迅速升高、炉水急 剧蒸浓。一方面,浓缩的垢下炉水受垢层阻碍无法 与中部炉水混均,各种杂质浓度升高,形成腐蚀性溶 液破坏 Fe3O4 保护膜。另一方面,有氧环境中垢下 易发生氧去极化和不溶性盐垢还原反应,反应式为 O2 +2H2O+4e - →4OH - (2) Fe3O4 +H2O+2e - →3FeO+2OH - (3) 反应生成的氢氧根使浓缩的垢下炉水中的碱性 物质(如氢氧化钠和碱式钙镁垢等)浓度进一步升高 至危险浓度,最终发生电化学反应、腐蚀减薄金属基 体[10-11],直至剩余壁厚不足以承受内压而爆裂,反 应式为 Fe+3OH - → HFeO2 -+H2O+2e - (4) 3HFeO2 -+H + →Fe3O4 +2H2O+2e - (5) 反应过程中,产生的少量氢气随水汽被携带,因 此并不会造成晶间微裂纹等氢脆损伤[12],反应式为 2H ++2e - → H2↑ (6) 

3 结论及建议

(1)水冷壁管穿孔的主要原因是水质不良且现 场缺少在线仪表监测设备,导致管内壁结成碱性垢 层,金属基体发生垢下腐蚀,管壁减薄至无法承受应 力而发生穿孔泄漏。 (2)建议对锅炉进行酸洗,及时清理受热面结 垢层,并加装在线监测仪表,强化水汽品质监督和 调控。 (3)建议增加对水冷壁管的壁厚检查,对于小 于设计最小壁厚的水冷壁管应及时更换,以免造成 非停等运行故障。