摘要：循环流化床锅炉是近十年来迅速发展的一项高效、低污染清洁燃烧技术，这项技术在电站锅炉中已得到了广泛的应用。甲醇厂循环流化床锅炉运行八年来，多次出现膜式水冷壁管、旋风分离器磨损大，锅炉负荷低，非计划停车多等问题，给锅炉安全长周期运行带来了很大隐患。某厂循环流化床锅炉水冷壁管发生爆管。通过对取样水冷壁管进行宏观观察、金相分析、电镜扫描分析、硬度测试得出结论:引起爆管的根本原因是水冷壁管受火侧结垢导致局部形成酸环境,发生氢腐蚀而造成的。最后提出了预防此类事故发生的措施。
关键词：锅炉；冷壁管；爆管
随着全社会对环境保护要求的不断提高，脱硫已成为锅炉运行中至关重要的一步。循环流化床燃烧技术因具有脱硫效果好、燃烧效率高、燃料适应性高等优点，目前已经成为国际上应用广泛的干法脱硫技术之一。我国目前已有数百台循环流化床锅炉投入使用或正在制造之中。锅炉系统的布风装置是锅炉空气供给系统的重要组成部分，可供锅炉实现流态化燃烧，与锅炉的流化质量和稳定运行有着密切的联系。锅炉应用最普遍的是风帽式布风装置。当布风装置出现故障时，会影响到燃烧工况，甚至锅炉无法实现流态化燃烧。因此，布风装置的风帽、风室、布风板等部件在锅炉的安全稳定运行中起着重要的作用。
一、锅炉水冷壁管内腐蚀原因分析
1、锅炉炉水污染，导致炉水中酸性物质超标，沉积物H+浓度高，造成锅炉水冷壁管内腐蚀的源头是锅炉给水内漏入了钙镁离子，导致水冷壁管产生结垢，金属在沉积物下腐蚀产生的氢，大量扩散进入炉管金属内，与钢中的碳结合形成甲烷，在钢内产生内部压力，引起晶界裂缝，有时受损伤的管子会整块崩掉。由于炉管的向火侧已沉积了一层沉积物，因而炉水中的“酸性物质”CaCl2，MgCl2 等，则会在沉积物下积累起很大的H+浓度，则此时沉积物下会发生酸性水对金属的腐蚀。产生阳极、阴极反应。由于阴极反应发生在沉积物下，生成的H2 受到沉积物的阻挡不能很快扩散到汽、水混合物区域，因此促使金属管壁和沉积物之间积累起很多量氢，可能有部分氢扩散到金属内部在金属的作用下与碳钢中的“碳化铁”发生反应导致碳钢“脱碳”，由于反应产物CH4 会在金属内部产生压力，使金属组织中逐渐形成裂纹，使金属变脆，导致水冷壁管氢脆损坏。
2、锅炉给水受到污染导致炉水指标严重超标，而没有及时停车消除缺陷。锅炉给水受到污染导致炉水指标严重超标，而没有及时停车消除缺陷的主要原因为以下两个方面：淤空分机组凝结水泵出口在线电导在泄漏期间最大监测到16滋s/cm，由于安装位置不符合要求，显示不准，不能准确判断泄漏，没有及时停车。于质检中心对空分机组凝结水间断性取样分析只有两次检测到有钙镁离子，其他时间均未检查到异常，当第一次检测到钙镁离子及硬度后，随后连续两次再加样均未检出，导致了误判断，延误了停车消漏。
二、慨况
某企业的1台75 t/h循环流化床锅炉水冷壁管发生了爆管。爆口位于锅炉卫燃带以上500 mm处, 爆口大致为20 mm×60 mm的不规则孔洞, 爆口无明显塑性鼓胀变形和管壁外翻现象, 爆口边缘没有发现宏观裂纹, 但管爆口边缘内壁有明显的局部腐蚀,管壁变薄。停炉进行水压试验, 发现其他水冷壁管也有泄漏, 泄漏位置与爆管位置基本处于同一高度。该锅炉水冷壁管材料为20G, 实际水温250～300 ℃, 管外实际温度850～900 ℃。为提高水冷壁管向火侧的抗磨能力, 共进行过3次表面喷涂处理, 其中第1次采用热喷, 后2次采用冷喷。
三、原因查找
为弄清水冷壁管失效原因, 对水冷壁爆管进行了解剖取样, 对管内壁进行了宏观检查、电镜扫描分析。
1、宏观检查。在剖开的向火侧水冷壁管内发现多处大小不一的腐蚀凹坑, 大的凹坑尺寸约为20mm×50 mm, 深度数毫米不等, 严重的地方超过壁厚尺寸的一半;小的凹坑约为5mm ×5mm, 深度1～2 mm。腐蚀凹坑全部分布在向火侧, 背火侧水冷壁管内没有发现局部腐蚀及全面腐蚀的现象。另外, 向火侧水冷壁管内壁有明显的垢层, 背火侧垢层则不明显。
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2、硬度测试。通过金相分析发现, 水冷壁管外表面镀层共有2层, 与前面提到此部分水冷壁管共进行过2次喷涂相符合。对上述金相试样测试显微硬度为:最外层喷涂层组织硬度为HV932, 次外层喷涂层组织硬度为HV820, 靠近涂层基体组织硬度为HV152, 心部组织硬度为HV137, 心部组织硬度在标准范围之内。
4、电镜扫描分析。对试样重新处理, 进行电镜扫描。由电镜扫描图片可以清楚地看到:在水冷壁管腐蚀凹坑周围有大量的微裂纹和微孔洞, 而水冷壁管完整部位没有或者很少有微裂纹和孔洞。另外, 在腐蚀凹坑底部发现有一层约10 μm厚的垢层, 凹坑边缘有一层约50μm厚的垢层。经过能谱分析垢层成分知:其主要为CaCO3 , 同时还含有SiO2 、KCl、FeS2 等杂质。
四、结果分析
从该企业水冷壁管失效情况管壁没有明显鼓胀变形, 爆口边缘没有翻边等初步判断此次水冷壁管爆管属于脆性断裂失效,可以排除水冷壁管因超压而发生爆管的可能。通过解剖水冷壁管, 对管内壁腐蚀情况及垢层情况进行观察, 发现在水冷壁管向火侧内壁存在大小不等的腐蚀凹坑及垢层, 而在同一位置水冷壁管背火侧内壁却没有发现任何腐蚀凹坑和明显的垢层, 符合受热面腐蚀的一般规律。水冷壁管的金相组织为珠光体组织和铁素体组织, 属于20 G的正常金相组织。靠近管内壁的珠光体呈条带状组织, 是由于水冷壁管轧制过程中内壁附近塑性变形较大而形成的, 也属于正常组织。在管壁金相组织中, 未发现马氏体组织、贝氏体组织以及托氏体组织等异常组织, 珠光体组织没有发生明显的球化, 没有发现蠕变痕迹, 可以排除水冷壁管在使用过程中曾出现长时间或短时间超温的情况。
扫描电镜照片显示的腐蚀凹坑位置处有大量的微裂纹和孔洞, 越靠近内壁, 微裂纹越多, 裂纹主要沿晶分布, 而在腐蚀凹坑边缘以及未腐蚀位置很少有或者没有微裂纹, 应为典型氢腐蚀的特征。
水冷壁管的氢损伤属于环境氢损伤。一般将氢对钢的物理作用所引起的损伤称为氢脆, 而把氢与钢的化学作用引起的损伤叫做氢腐蚀。水冷壁的氢损伤实际上就是氢腐蚀, 是因为水冷壁管受环境电化学腐蚀时阴极反应所析出氢造成的。由于垢层的存在, 生成的氢不能自由逸出, 使氢离子在积垢层内被浓缩, 形成较高浓度的氢离子环境, 促进了管材的溶解。氢原子或离子扩散进入钢中会在晶界附近以及夹杂物与基体相交界面的微隙中结合形成氢分子, 并部分地与碳或碳化物反应生成甲烷。
生成的甲烷气体体积较大,不能逸出, 在晶界或微隙内聚集, 形成微裂纹, 严重地降低了钢的机械性能。垢下腐蚀除了氢腐蚀外, 还有一种非常容易发生的腐蚀———碱腐蚀。碱腐蚀的机理与氢腐蚀类似, 同样是由于垢层的存在, 致使碱性物质浓缩, 腐蚀水冷壁管, 形成凹坑等缺陷。
(1)氢腐蚀的局部环境显酸性, 而碱腐蚀的局部浓缩环境为碱性。
(2)氢腐蚀的电化学机理中, 阴极和阳极基本重合在一起, 处在管壁的同一侧, 这样反应生成的氢由于垢层的存在不能自由逸出, 形成一定浓度的氢环境, 造成水冷壁管的氢腐蚀;而碱腐蚀的电化学机理中, 阴极和阳极是分开的, 阳极是碱局部浓缩的部位, 而阴极反应则发生在管的另一侧管壁上, 尽管反应也生成了氢, 但是生成的氢大部分结合生成了氢分子并随介质流走,不会造成氢腐蚀。另外, 微观上氢腐蚀还造成了腐蚀部位晶界或各类杂质相与基体相界面中大量孤立的微裂纹的形成。
通过腐蚀的原因是结垢层的存在，为此严格控制锅炉水中的杂质含量和pH。对锅炉的操作指标控制和锅炉的使用维护严格按照锅炉使用手册、锅炉生产厂家要求进行;制定严格的清洗规范, 在确保锅炉清洗质量的同时, 保证无酸性清洗介质残留。
参考文献：
［1］刘德昌，陈汉平，张世红．循环流化床锅炉运行及事故处理［M］．北京：中国电力出版社，2016．
［2］杨振国，张宏鹤．循环流化床锅炉一次风进气管断裂失效分析［J］．理化检验－物理分册，2016．
［3］邓化凌，王勇，宋云京．循环流化床锅炉快速磨损失效机理［J］．中国电力，2015．
论文作者:辛俊巍
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
标签：水冷论文; 锅炉论文; 流化床论文; 组织论文; 金相论文; 裂纹论文; 沉积物论文; 《电力设备》2019年第6期论文;