关键词：锅炉；水冷壁；爆管；脱碳；氢腐蚀；特征；机理
1.概况
2016年 11月13日，辽阳石化分公司热电厂锅炉水冷壁管爆管导致非计划停炉。该水冷壁管材质为20G钢；管子规格为Φ60×5mm。管内的介质为饱和水，温度≦350℃，压力11.28MPa；管外烟气温度大约800℃。爆管位置在燃烧器下部弯管水冷壁处，呈窗口状，其附近还有多条纵向裂纹。
2.检验分析
2.1宏观、低倍分析
该水冷壁爆口形态呈窗口状。将管子向火侧爆口附近的裂纹打开，得到一个“裂纹断口”。管子开裂是从内向外进行的，内壁上有腐蚀坑，坑内有很厚黑色腐蚀产物（垢）附着，管壁减薄，脆性开裂，还有多条裂纹在爆口附近，有的与爆口相连。
2.2金相分析
20G钢无缝钢管通常以热轧或正火状态供货，其金相组织：铁素体+珠光体。
水冷壁管横向金相样品的一端是爆口的断口处，管壁中有大量的微裂纹沿晶存在，越靠近管子内壁，裂纹越多。微裂纹存在处，就会有明显的脱碳现象，珠光体减少或消失。这些微裂纹在管壁中的内壁富集，随着向外壁方向的延伸，微裂纹逐渐地减少直至消失，外部管壁组织为铁素体+珠光体。
水冷壁管纵向金相样品靠近裂纹处，也在腐蚀坑内。管壁内表面附着很厚的垢层，垢下有大量的微裂纹，微裂纹中有腐蚀产物充塞。管壁外表面有氧化层，管壁的金相组织为铁素体+珠光体。
2.3扫描电镜分析
爆口处的断口没有明显地塑性变形，断口表面有腐蚀产物附着；能谱分析表明，管子断口表面及管子内壁垢层主要是铁的氧化物（O的含量10%～16.59%，Fe的含量63.90～77.51），断口上还有C、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、Ca等元素存在。
管子爆口处附近内壁表面垢层构成以铁的氧化物为主（O的含量19.79%～21.67%，Fe的含量71.23～79.05%），还含有少量的其它元素；管壁内侧微裂纹中充塞的产物也为铁的氧化物（O的含量13.15%～18.52%，Fe的含量81.48～86.15%）。
2.4分析讨论
通过对水冷壁管爆口部位的多项理化检验分析，确认水冷壁管爆管破坏性质为氢脆即氢腐蚀。氢脆形成原因主要有以下几方面
1 蒸汽腐蚀
爆管均发生在炉膛热负荷较高区域水冷壁管子的向火侧，说明热负荷对腐蚀有影响。炉内火焰偏斜、热负荷分布不均，局部热负荷变化幅度较大，造成局部管壁金属温度波动和超温，破坏了水冷壁管内表面钝化膜的连续性，而钝化膜遭到破坏地方，具有很高的腐蚀活性。所以在水冷壁的向火侧，高负荷区容易发生氢腐蚀。由于局部受热面热负荷偏高，当受热面管子管壁金属温度大于400℃，管内产生汽水分层或蒸汽停滞时，就可能发生蒸汽腐蚀，反应式为：3Fe+4H2O→Fe3O4+8[H]。
正常情况下，管子的内表面覆盖一层致密的保护膜，反应生成的氢被循环的炉水带走，不会渗入钢中。而当运行工况出现异常时，情况就会发生变化。如果产生的氢原子不能很快被蒸汽带走，就会在较高的温度作用下通过晶格和晶界向水冷壁向火侧钢内扩散，并与钢中的渗碳体、游离碳发生反应，造成氢腐蚀。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆发生的化学反应如下：
氢分子与钢中渗碳体发生反应：2H2+Fe3C→3Fe+CH4
氢分子与钢中游离碳发生反应：2H2+C→CH4
氢原子与钢中游离碳发生反应：4[H]+C→CH4
上述所有反应均生成甲烷CH4，致使沿晶界生成晶间裂纹，进而产生微裂纹，使应力集中显著增加;如果有积垢的存在使导热性变差，引起管壁局部温度剧增，又加速了腐蚀的进程。如此反复进行，形成恶性循环，微裂纹逐渐连成网状，钢的强度、韧性急剧下降，无法承受运行的工作应力，最终导致水冷壁管沿晶开裂。
2 碱性腐蚀
腐蚀过程如下：首先，PH值过高的炉水中产生游离的氢氧化钠，在受热面的附着垢物下发生浓缩，可达很高的浓度，使炉管表面的保护膜溶解，这部分钢与炉水中的游离氢氧化钠反应生成氢和亚铁酸钠，后者水解为四氧化三铁和氢。
当腐蚀产物达到一定厚度时，氢向水中扩散的能力减弱，便开始向金属内部渗透，进而产生氢腐蚀。
化学反应为：3Fe+6NaOH→3Na2FeO2+6[H]
3Na2FeO2+4H2O→Fe3O4+6NaOH+2[H]
反应初期的腐蚀产物并不是很多，但一旦形成腐蚀产物，因其热阻较大，必将导致腐蚀产物下局部金属基体的温度升高和盐类浓缩，两者互相促进，使腐蚀加剧，温度更高。在腐蚀过程中形成的氢起初会被水流带走，当腐蚀产物达到一定厚度时，氢向水中扩散的能力减弱，便开始向金属内部渗透，进而产生氢腐蚀。
3 酸性腐蚀
水质不良，或化学控制系统局部失灵等，使酸性盐类进入水系统;另外，停炉化学清洗时带进杂质、清洗不当，也会导致腐蚀发生。当pH值过低时，会产生酸性腐蚀，破坏管内壁的保护膜。具有腐蚀性的炉水可以直接与金属基体发生如下的反应：Fe+2H+→Fe2+2H。
当水冷壁管内壁向火侧沉积了坚硬致密、导热性差的氧化铁垢层后，会对水冷壁运行造成严重的不良影响。由于氧化铁垢的热阻高，导致垢下管壁温度升高。渗透到垢下的炉水不易与炉管中部的炉水混合，温度也相应升高，引起炉水蒸发和杂质高度浓缩，垢下炉水浓缩使H+浓度变得很高，在垢下发生电化学腐蚀，即阳极：Fe-2e-→Fe2+；阴极：2H++2e→2H。腐蚀反应导致垢下管壁金属溶解形成腐蚀坑，并产生氢原子。垢下腐蚀产生的氢原子或H+受到沉积物的阻碍不能及时地被管内汽水带走，部分氢原子就沿着晶粒边界渗入金属内部，与管壁组织中的渗碳体发生反应，即氢腐蚀：Fe3C+4H→3Fe+CH4。管内壁金属由于上述反应造成珠光体减少甚至消失，产生的CH4积聚在钢中，形成很大的局部应力，沿铁素体晶界形成晶间微裂纹，微裂纹不断地扩大并可相互连接成网状，导致管壁金属的强度和塑性降低而变脆，同时，由于腐蚀作用，管壁也在不断地减薄，其结果是在管内介质压力的作用下，发生爆管破坏。
3. 结论
水冷壁在长期运行工况条件下，又因早期炉内水质不好，导致水冷壁管向火侧内壁上局部处发生了腐蚀减薄结垢，垢下管壁腐蚀产生的氢不能及时地由管内水汽带走，而进入到管壁中，发生了氢腐蚀破坏。只是当时爆管部位管壁中的氢腐蚀破坏还未达到引发爆管发生的程度，但却埋下了爆管破坏发生的隐患。随着锅炉的运行，爆管部位管子内壁的垢层并未消除，管壁的垢下腐蚀仍在进行，管壁也在不断地减薄，又导致新的氢腐蚀裂纹产生，当爆管部位的管壁承受不了管内水汽介质的压力负荷时，就发生了此次水冷壁管的爆管。
4. 建议
由于水冷壁管的氢腐蚀破坏速度快、破坏性强，且不易被发现，建议扩大检查范围，以排除同条件下其他管子发生氢腐蚀的可能性；对于已经发生氢腐蚀破坏的水冷壁管要及时的给予以更换；今后应加强以下工作：
4.1.锅炉运行和锅炉监察
4.2 金属监督和检验
4.3 化学运行和化学监督
参考文献
[1]陈吉刚，丁玉华，梁锋，刘玉民.锅炉管的失效和防止措施（三）磨损、应力腐蚀断裂、热疲劳.热力发电，1992.（3）：49-52.
[2]GB5310-1995.高压锅炉用无缝钢管的化学成分[S].
论文作者:王宇甲
论文发表刊物:《中国电业》2019年16期
论文发表时间:2019/11/29
标签：管壁论文; 水冷论文; 裂纹论文; 发生论文; 金相论文; 内壁论文; 珠光体论文; 《中国电业》2019年16期论文;