摘要：某电厂超超临界锅炉，运行4年后，锅炉左侧水冷壁频繁爆管。为分析爆管原因及提出改进方案，本项目通过金相、硬度、扫描电镜等检验方法对水冷壁爆管进行了分析。根据检验结果推断，锅炉水质劣化，水冷壁管内壁积垢严重，水冷壁管内发生垢下碱腐蚀。
关键词：水冷壁；积垢；碱腐蚀
引言
某电厂超超临界锅炉运行时间约4年，在锅炉左侧水冷壁下部16m标高左右，人孔门上方吹灰器及其附近位置连续发生多次爆管，不同次爆管之间时间间隔很短。通过对该区域管屏切管检查，在该区域管子内表面发现了许多岛状结垢层和腐蚀凹坑。经了解管子为内螺纹管，材质为SA-210C，规格为Φ63.5×6.6MWT。
1试验方法与结果
1.1宏观检测
为便于观察样管内表面结垢和腐蚀情况，将样管沿扁钢位置纵向剖开，使样管分成向火侧和背火侧两半。
观察发现，样管向火侧内表面有多处结垢和腐蚀凹坑，如图1所示。样管内表面的结垢呈岛状，岛状结垢的大小不均匀，个别较大的结垢占满了螺纹槽，其垢层厚度也高于螺纹高度。岛状结垢的最外层呈红褐色，红褐色铁锈的结构疏松容易脱落；其下层为黑灰色腐蚀产物，黑灰色腐蚀产物结构较致密。观察样管内表面的腐蚀凹坑可发现，部分凹坑上仍有结垢残留，由此可知，腐蚀凹坑应是结垢层剥落后在原位形成的。腐蚀凹坑的形状不规则，大小不一，深度也不均匀。
1.2力学性能测试
采用HB-3000C台式布氏硬度计，对样管背火侧和向火侧腐蚀区及未腐蚀区进行布氏硬度检测。背火侧硬度为146HBW，向火侧腐蚀区硬度为143HBW，向火侧未腐蚀区硬度为106HBW。由布氏硬度试验结果可知，样管向火侧未腐蚀区的硬度和背火侧的硬度接近，而向火侧腐蚀区的硬度明显低于向火侧未腐蚀区和背火侧的硬度。
图1 样管内表面宏观形貌
1.3能谱检测
利用日立s-3000扫描电子显微镜对腐蚀产物进行能谱分析，能谱分析结果表明，腐蚀产物的主要成分为铁和氧，含有少量Na、Si和Ni。
表1 能谱检测定量分析结果
1.4微观检测
在样管上腐蚀区域取金相试样，利用ZEISS Axiovert 200 MAT显微镜上观察金相组织形貌，发现内壁腐蚀区紧靠垢层的基体有明显的脱碳现象，脱碳层最大深度约1.2mm，且脱碳区域有许多晶间裂纹，晶间裂纹呈网状分布，但未连接到一起，紧靠垢层区域裂纹较粗大，离垢层越远裂纹越细小。未被腐蚀部位金相组织为铁素体+珠光体，未见晶间裂纹，晶粒度为8级，内、外壁均无脱碳层。
2腐蚀原因分析
2.1通过对样管向火侧内壁腐蚀区域的金相检测发现，腐蚀区域紧靠垢层基体的金相组织发生严重脱碳，脱碳层深度达1.2mm。对该位置进行硬度检测，向火侧未腐蚀区域与背火侧的硬度相当，并处于合理的硬度区间，而向火侧腐蚀区脱碳严重，导致材料局部区域硬度显著下降，说明局部脱碳对材料硬度的影响非常严重。
在材料基体的脱碳区域中发现许多晶间裂纹，紧临垢层侧裂纹较粗大，距离垢层越远则裂纹越细小，说明这些晶间裂纹是在向火侧内表面腐蚀区垢层下形成并向基体内扩展的。这种微观组织特征是典型的氢致损伤特征，说明在水冷壁向火侧局部区域发生了氢脆。相关文献[1,2,3]表明，钢铁材料的这种氢损伤是由于材料腐蚀产生的氢从材料表面向基体内部扩散，氢原子进入材料组织中与基体中的渗碳体(Fe3C)发生反应，产生甲烷。该反应所产生的甲烷分子尺寸大而且不易扩散，使甲烷在晶界聚集产生局部高压，形成微小裂纹即晶间裂纹，钢材的结构受到破坏，诱发介质对基体的加速腐蚀，反应导致钢材脱碳，降低材料的性能，金属变脆，严重时导致脆性断裂或开裂。
2.2对腐蚀产物进行能谱检测，其主要成份为铁和氧，并含有少量Na元素。结合宏观形貌判断腐蚀产物主要为磁性Fe3O4。在腐蚀产物中发现少量Na，说明腐蚀产物中可能含有少量NaFeO2，由此，推断样管内壁发生了碱性腐蚀，并伴随发生垢下氢腐蚀。氢损伤一般伴随着酸性腐蚀（酸性磷酸盐腐蚀）出现，但在高参数锅炉水冷壁管中，也会伴随碱腐蚀发生。
2.3水冷壁中的水质pH值偏高，游离Fe2+/ Fe3+离子浓度增高，由于燃烧侧局部区域温度偏高，温度偏高部位，管壁的热负荷也大，氧化铁垢的沉积速度与炉管热负荷的平方成正比，炉管的热负荷越高，沉积量越大，因此易在向火侧造成积垢。炉水在垢下产生浓缩，OH-浓度增加，在垢下与基体发生电化学反应，反应式为：
阳极反应 Fe +3OH-→HFeO2- + H2O + 2e
3HFeO2 + H+→Fe3O4 + 2 H2O + 2e
阴极反应 2H+ + 2e→H2
该反应的产物为Fe3O4和H2，对于高参数锅炉，由于反应速度较快，产生氢气量较大，部分氢气来不及溢出材料表面，进入基体内部，使基体发生氢损伤。
3结论
通过对样管的宏、微观检测和能谱检测结果进行分析，推断在样管向火侧内壁发生了碱性腐蚀和垢下氢腐蚀。
综合分析，推断样管发生碱性腐蚀和垢下氢腐蚀的原因可能是：锅炉炉水水质劣化，造成样管内壁局部沉积结垢。
参考文献
[1]廖成实.水冷壁管垢下腐蚀爆管原因分析及对策[J].四川电力技术，2004,(2)：29-31.
[2]张宗棠.水冷壁垢下腐蚀的泄漏形态演变及处理方案[J].发电设备，2013年9月，第27卷第5期：343-348.
[3]周昕等.火力发电厂锅炉受热面失效分析与防护[M].北京：中国电力出版社，2004.
作者简介
史丹（1985-），女，河北邢台人，工程师，毕业于浙江大学，从2011年至今一直从事锅炉及压力容器产品的检验工作。
论文作者:史丹,李虹霖
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：脱碳论文; 水冷论文; 基体论文; 硬度论文; 裂纹论文; 金相论文; 锅炉论文; 《电力设备》2019年第6期论文;