水冷壁管是鍋爐的主要受熱部分,用于吸收爐膛中高溫燃燒產物的輻射熱量,也是實現鍋爐熱量傳遞與交換的最核心部件[1-4]。由于鍋爐運行工況復雜,水冷壁管長期處于高壓水汽和高溫煙氣環境中,壁厚異常減薄給鍋爐的安全運行造成重大安全隱患,因此分析其減薄原因,并采取必要的預防措施,對鍋爐的安全運行至關重要[5-7]。 

在對某電廠300 MW亞臨界機組鍋爐進行防磨防爆檢查過程中,發現其大批量水冷壁管壁厚異常減薄,水冷壁管材料為SA-210C鋼,規格為63.5 mm×7.5 mm（外徑×壁厚）。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡（SEM）和能譜分析等方法對壁厚異常減薄原因進行分析,以消除該類安全隱患。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

水冷壁管向火側外壁宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：水冷壁管向火側外壁有較多灰黑色的附著物,附著物厚度已超過1 mm,附著物分為多層,最外層堅硬而易碎,多處附著物存在不同程度的剝離和脫離。 

圖  1  水冷壁管向火側外壁宏觀形貌

水冷壁管橫截面宏觀形貌如圖2所示。水冷壁管未見明顯變形,背火側壁厚較為均勻,向火側壁厚不均勻,局部減薄非常明顯。對水冷壁管進行壁厚測量,實測水冷壁管背火側壁厚約為7.6 mm,壁厚正常；向火側管壁減薄最嚴重位置的壁厚僅為4.5 mm,減薄量僅有原壁厚的40%左右,不符合DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》中“鍋爐受熱面管壁厚應無明顯減薄”的要求。對于水冷壁、省煤器、低溫段過熱器和再熱器管,壁厚減薄量應不超過設計壁厚的30%。 

圖  2  水冷壁管橫截面宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在水冷壁管上截取試樣,采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：試樣材料的各元素含量均符合ASME SA-210/SA-210M—2023《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管子》對SA-210C鋼的要求。 

1.3   力學性能測試

在水冷壁管背火側取樣,對試樣進行拉伸試驗及硬度測試,結果如表2所示。由表2可知：水冷壁管的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率及布氏硬度均符合ASME SA-210/SA-210M—2023的要求。 

1.4   金相檢驗

在水冷壁管上取樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖3所示。由圖3可知：水冷壁管向火側和背火側的組織形態無明顯差異,顯微組織為鐵素體+珠光體,晶粒度為10級,珠光體形態較為清晰,邊界模糊,晶界上開始有顆粒狀碳化物析出,珠光體球化級別為2級,球化程度較輕,未發現異常或明顯的過熱組織,向火側外表面殘留腐蝕附著物,最厚達1.16 mm。 

圖  3  水冷壁管的顯微組織形貌

1.5   掃描電鏡及能譜分析

對水冷壁管外壁附著物外表面、中間層、內表面進行掃描電鏡及能譜分析,結果如圖4~6所示。由圖4~6可知：水冷壁管外壁附著物外表面元素種類較多,含Fe、O、S、Zn、Si、Al、Ca、Mn等元素；附著物內表面元素種類較少,幾乎全部為Fe、O、S元素,應為水冷壁管母材的氧化腐蝕產物。 

圖  4  水冷壁管外壁附著物外表面SEM形貌及能譜分析結果

圖  5  水冷壁管外壁附著物中間層SEM形貌及能譜分析結果

圖  6  水冷壁管外壁附著物內表面SEM形貌及能譜分析結果

2.   綜合分析

2.1   試驗結果分析

該水冷壁管的化學成分、力學性能均符合ASME SA-210/SA-210M—2023對SA-210C鋼的要求。水冷壁管管徑無明顯變形,向火側母材顯微組織中珠光體球化級別為2級,組織老化不明顯,這說明水冷壁管在運行過程中壁溫正常,無過熱現象。水冷壁管向火側存在不均勻減薄,外徑隨向火側壁厚減薄量的增加而減小,表明水冷壁向火側壁厚減薄為外壁腐蝕所致。水冷壁管外表面附著物堅硬且易碎,能譜分析結果表明附著物為鐵的氧化物和硫化物,從而判斷水冷壁管向火側發生的腐蝕形式為高溫硫腐蝕。 

2.2   腐蝕原因分析

高溫腐蝕與煤的種類有很大關系,煤中的硫元素和硫化物是形成腐蝕的主要原因,而煤的燃燒特性又是影響腐蝕速率的主要因素之一。鍋爐水冷壁腐蝕發生在不完全燃燒中形成的一氧化碳還原性氣氛中,同時有硫化氫存在,使水冷壁管發生硫化物型高溫腐蝕[8-10]。煤中的黃鐵礦是引起硫化物型高溫腐蝕的主要原因,其反應機制如下所述。 

黃鐵礦粉末隨高溫煙氣到達水冷壁管附近,在還原性氣氛下黃鐵礦粉末受熱分解出自由原子硫和硫化亞鐵。當水冷壁管附件存在H2S和SO2時,也可能發生如下反應。 

在還原性氣氛中,由于缺氧,硫原子可以獨立存在,當管壁溫度超過350 ℃時,會發生硫化反應。 

H2S還能和FeO作用,發生如下反應。 

FeS會繼續氧化生成Fe3O4,反應方程式為 

綜上所述,煤中硫元素含量高,未充分燃燒的煤粉沖刷水冷壁并形成局部還原性氣氛,在溫度較高的水冷壁產生高溫腐蝕。 

3.   結論與建議

（1）水冷壁管減薄的主要原因是硫化物型的高溫腐蝕。 

（2）水冷壁管產生高溫腐蝕的主要因素有水冷壁區還原性氣氛、水冷壁管壁溫、煤質品級及燃燒狀況等。 

（3）建議電廠加強對水冷壁管的監督檢查,重點關注歷史發生腐蝕部位,尤其是近期存在煤質波動、鍋爐運行調整等情況時,須利用臨停、檢修等機會增加割管頻次、擴大割管范圍,檢查相應管系的腐蝕情況,并根據腐蝕情況采取針對性處理措施,及時更換腐蝕減薄導致強度不足的管子,對易發生腐蝕減薄的區域采取加裝防護瓦或噴涂等防護措施。 

（4）建議電廠在煤質含硫量和水冷壁壁溫保持不變的情況下,通過燃燒調整優化,控制好氧元素含量,避免燃燒區域因局部缺氧而形成還原性氣氛,可以有效減少水冷壁硫化物型高溫腐蝕減薄現象的發生次數。 

文章來源——材料與測試網