简述水冷某电厂水冷壁连续爆管理由与处理案例

摘要：某电厂#3锅炉水冷壁短期连续爆管，宏观形态相似。对水冷壁多个部位进行取样，开展宏观、金相、化学成分、力学性能测试、氢测定等多种试验方法进行分析，最终确定这是一起由于未进行停炉保护或水质控制不良引起的腐蚀破坏，腐蚀的机理主要为氧腐蚀造成管壁减薄，减薄严重处存在垢下氢腐蚀，垢下氢腐蚀直接导致了破口的产生。针对原因，提出了解决问题的方案。经实践检验，实施相应整改方案后，锅炉恢复正常运行。
关键词：水冷壁氧腐蚀氢腐蚀停炉保护
某电厂#3炉为WGZ-200/9.8-4型高温高压固态排渣锅炉，1995年投运。锅炉采用膜式水冷壁，前后墙各94排，左右墙各80排，规格：Φ60×5mm，材质：20G。2011年8月至10月，连续3次在喷燃器标高上下1m附近发生爆管事故，对该锅炉爆管事故进行了取样分析。

1、试验方法与分析

1.1 宏观检查

取样两根水冷壁管，一根外壁存在破裂开口，一根外壁无可见损伤。两根内壁均有红黑色沉积物，向火侧沉积物较厚，并有点状或块状的堆积凸起，尤其在鳍片附近的向火侧，堆积凸起更多更高。两根均可见裸露的腐蚀坑，腐蚀为局部腐蚀，形态为溃疡状，横截面观察腐蚀坑呈碗状，深度在1-3mm不等。个别腐蚀坑端面可见明显分层，外层砖红到褐色，为Fe2O3，内层黑色，实际上是Fe3O4和贴近金属基体的FeO。破裂就发生在向火侧碗状腐蚀坑最深处，破口长50mm，破口边缘粗钝且不减薄，呈脆性断口，破口边缘未见细小群裂纹。破口旁边另有两条裂纹，一条长30mm，裂纹深3mm；一条长20mm，裂纹深

2.5mm，裂纹由内壁往外壁发展，管段无明显变粗。

（a）破口外壁侧宏观形貌 （b）破口内壁侧宏观形貌 （c）破口横截面宏观形貌
图1 破口形貌

1.2 壁厚测定

游标卡尺测定厚度如下：
表1测厚数值（单位：mm）
注：1：向火侧2，3：腐蚀坑4：背火侧

1.3 金相组织分析

破口附近有两条长裂纹，破口附近及长裂纹两侧存在多条微裂纹，裂纹由内壁向外壁发展。破口和裂纹的组织存在明显的分层，管外壁组织为铁素体加珠光体，珠光体球化2级，组织正常。见图2（b）和图3（b），管内壁组织绝大部分是白色的铁素体，几乎没有珠光体存在，脱碳现象集中在破口与裂纹的内壁周围，由管内壁向管外壁逐渐减轻，脱碳层厚度较小，最严重的地方在1.5mm左右。脱碳区内，小裂纹联通形成大裂纹或孔洞，见图2（a）和图3（a）。（a）图中黑色部分为主要为裂纹，沿铁素体晶界分布，这些沿晶微裂纹破坏了金属晶粒之间的联系，致使金属的强度和塑性降低。
（a）破口近内壁组织：300×（b）破口近外壁组织：300×
图3 破口处金相组织

1.4 力学性能试验

在破口向火侧与背火侧各取一组进行拉伸试验，数据见表2。
表2 拉伸试验数据
从试验数据看，抗拉强度及伸长率均符合GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》的要求，背火侧抗拉强度略高于向火侧。

1.5 钢材化学成分分析

对破口试样母材取样进行化学分析，数据见表3 。
表3 化学成分%
化学成分符合标准GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》的要求。

1.6 氢含量测定

外委钢铁研究总院测定含氢量。对外壁损伤管段取样进行测定，破口处含氢量高达8.9PPM，裂纹处含氢量达8.PM，背火侧无腐蚀坑位置处仅0.62PPM，含氢量相差10倍以上，说明破口及裂纹处存在氢腐蚀。另一根外壁无可见损伤管材，腐蚀坑较浅，腐蚀坑处氢含量为0.65PPM，无腐蚀坑处为0.67PPM，含氢量正常。

2、原因分析

#3机组在2007年至2009年间停运，未做停炉保养，水冷壁管内形成氧腐蚀。近年来#3机组停运时间较多，机组停运期间，内既有充足的水分又有充足的空气，其表面非常容易发生氧腐蚀，停运时间越长，腐蚀越严重。锅炉启动后，停运腐蚀的部位会进一步发生运行中腐蚀并容易产生沉积物

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。形成水冷壁管停运腐蚀、运行中腐蚀、结垢的恶性循环。
经过氧的一二次腐蚀过程，炉管减薄，炉管内表面生成氧化铁，炉水进入后疏松氧化铁一部分脱落，导致炉水含铁量增大，进入炉水中铁化合物形态主要是带正电的胶态氧化铁，炉管局部热负荷高导致该部位金属表面电子集中而带负电，正电的胶态氧化铁受负电金属表面吸引造成聚集并覆盖在原有未脱落的氧化铁上，在热负荷高的区域使氧化铁垢增厚。氧化铁垢层的形成造成垢下腐蚀，浅腐蚀坑处氢含量正常，金相组织正常，氧腐蚀是减薄的主要原因。而对破口和裂纹，金相分析发现，破口及两条裂纹内壁侧均明显脱碳，但脱碳层较浅，集中在深腐蚀坑底部，所以氢腐蚀相对较弱且位置集中，故未出现常见的“窗口”爆裂，而是条状的破口和裂纹，为非典型的垢下氢腐蚀。
综上所述：氧腐蚀是造成腐蚀坑的主要原因，主要由停炉保养不到位或水质控制不过关引起。氧腐蚀深度较大的地方形成垢下局部氢腐蚀，导致水冷壁管破口和裂纹的产生。

3、处理方案

根据上述情况，制定综合性的处理方案。（1）对后墙标高6-10米的位置进行重点割管，按每10根间隔割一根进行割管检查，其他三面墙割管各抽查2根。（2）根据割管情况，初步判断腐蚀情况。腐蚀严重时，采取超声波测厚结合漏磁腐蚀检验技术进行普查，必要时配合内窥镜检查，查找壁厚减薄严重的管子并进行更换。（3）更换管子后对锅炉进行酸洗，在管壁钝化形成保护膜。（4）切实加强机组的停用保护工作，减轻停用期间的腐蚀。（5）加强水汽品质检测，及时调整水汽品质。保证水质良好尤其是锅炉刚启动的一段时间。（6）进行空气动力场测试，调整燃烧器角度，保证锅炉火焰中心的正确位置。运行中及时调整锅炉燃烧工况，保证燃烧工况良好，不发生偏燃。对壁厚减薄严重部位管子的汽水循环性进行分析，是否存在影响汽水循环的不合理结构。

4、情况跟踪

电厂进行了割管检查和漏磁腐蚀检查，对标高5-20米部位进行了集中排查，腐蚀主要集中在后墙，其余三墙也有零星的几根。说明腐蚀具有区域性，并不具有整体性。
考虑到垢下氢腐蚀的严重性，厂家决定对后墙5-10米腐蚀严重区域外扩5排作整体更换，更换58根。再更换其他三墙个别管子。更换结束后进行空气动力场测试，调整燃烧器角度，重新找回火焰中心，使偏燃得到纠正。
处理结束后开机运行，运行过程中加强水汽品质检测，水汽品质正常。三个月正常运行无爆管。
参考文献
张常乐，徐德刚.锅炉水冷壁爆管原因分析[J].山东电力技术，2011，（4）：35-37.
陈吉刚，梁锋，丁玉华，刘玉民.锅炉管的失效和防止措施[J].热力发电，1992，（2）：59-62.