某循环流化床锅炉水冷壁爆管原因分析

盖红德  王建华  戴家辉  马加朋  郭雷  何山  张建华

(1．山东省特种设备检验研究院  济南  251010）

(2．山东省特种设备检验研究院潍坊分院  潍坊261000)

  摘要：通过宏观检查、化学成分分析、机械性能测试、金相组织及垢样成分分析等方法对某电厂YG-240／9. 8-M1型锅炉的水冷壁爆管原因进行了分析。分析结果表明管内壁有多处腐蚀凹坑，爆口处存在脱碳层和大量微裂纹，最后得出本次水冷壁爆管原因是氢损伤，并提出了针对性的预防措施。

  关键词：循环流化床锅炉水冷壁爆管氢损伤

  某热电厂一台YG-240/9.8-M1型单汽包、自然循环的循环流化床锅炉，采用由膜式壁、高温旋风分离器、返料器、流化床组成的循环燃烧系统，炉膛为膜式水冷壁结构，过热器分Ⅲ级布置，中间设Ⅱ级喷水减温器，尾部设三级省煤器和一、二次风预热器。其炉膛是由≯60 x5钢管和20.5×6mm扃钢焊制而成的膜式壁管组成，管子材质为20G。本次水冷壁爆管发生在由后向前数第26根管右侧水冷壁管，部位在炉膛下部卫燃带以上80cm的高热负荷区域。该炉至爆管时累计运行约26000h。

  为确保该锅炉长周期安全运行，笔者对其爆管的原因进行了分析。本文主要通过宏观检查、化学成分分析、机械性能测试、金相分析及能谱分析等方法对爆管的样管进行分析，确定本次爆管原因，并提出了相关措施。管子化学成分在FOUNDRY-MASTER Compact型台式光谱仪上进行；室温拉伸试验在MTS880型电液伺服试验机上进行；在OLYMPUS GX71型光学显微镜下进行金相分析；垢样能谱分析在装有EDAX能谱仪附件的Fei Quanta 400HV型扫描电子显微镜下进行。

1试验分析

1.1宏观形貌检查

水冷壁爆口部位的宏观形貌见图1。从图1(a)中可以看出爆口外表面无腐蚀磨损痕迹爆口呈纵向开裂，纵向长256mm，边缘粗糙且无明显减薄，管径未见明显胀粗，为脆性断裂爆口；爆口周围内表面粗糙不平，局部无规则分布有多个大面积腐蚀凹坑，腐蚀凹坑深浅不一，凹坑处管壁最薄约2mm，部分腐蚀凹坑上覆盖有大量致密黑色鳞片状垢层(见图1(b)和图1(c))。

1.2化学成分分析

对爆口周围管子做化学成分分析，结果见表1。由表1可知，管子的化学成分符合GB 5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》对20G钢管的要求，材质无异常。

1.3力学性能测试

取远离爆口且无腐蚀凹坑的背火侧管子进行力学性能测试，结果见表2。由表2可知，管子的力学性能符合GB 5310-2008对20G钢管要求(410MPa～550MPa)，表明无腐蚀部分管子抗拉强度正常。

1.4微观组织分析

爆口及其附近金相组织见图2。爆管背火侧的金相组织正常，为铁索体+珠光体组织，未见微裂纹，具体见图2a。从图2b和图2c中可以看出，爆口处可见由内壁向外壁扩展的微裂纹，微裂纹沿晶界扩展，微裂纹上又出现分支裂纹，裂纹内部没有腐蚀产物，裂纹附近金相组织形态未见明显变化。图2d、图2e及图2f为管子内壁腐蚀凹坑下的抛光图和金相组织图。从图中可以看出，腐蚀凹坑下存在严重脱碳层，且在纵向存在大量微裂纹。

1.5垢样成分分析

对爆口附近的管子内壁垢层进行能谱分析，垢层成分见图3。从图中可以看出，垢层中主要有O、Fe、C、Mn、P等元素，其中O来自于铁的氧化物，Fe、C、Mn来源于基体金属材料，Na、P来自于水处理中加入的磷酸盐。

2爆管原因分析

  管子的化学成分和机械性能分析显示管子符合标准要求；爆口宏观形貌表明其为典型的脆性开裂；金相组织分析发现在管子内壁垢层下存在大量微裂纹，且内壁有明显的脱碳层能谱分析未发现垢样中有异常元素，以上各项分析结果表明爆管是由氢损伤导致的。

  本次爆管发生在炉膛下部卫燃带以上80cm区域，该区域热负荷高，管外壁温度高，管内工质处于由水向汽水混合物转变过程，因蒸汽溶盐能力非常小，所以该部位炉水中的盐被浓缩，因而其水质逐渐恶化，导致杂质和腐蚀物等易在该部位积聚，使积聚部位传热恶化，产生局部垢下浓缩。垢下浓缩使得垢下的氧化铁保护膜被破坏，发生垢下反应：4H20+3Fe=Fe304+8[H]，加快内壁金属腐蚀速度，生成的原子态氢化学活性高，又因垢层阻挡难以扩散到汽水混合物中，因而其向金属基体扩散，与金属组织中的渗碳体发生化学反应：Fe3C+4[H]=3Fe+CH4，造成微观组织脱碳，所生成的甲烷分子由于扩散系数低，聚集于晶界处，产生很大内应力，引起晶界开裂，所以垢层下可看到大量微裂纹。随着氢损伤的加剧，晶间裂纹不断生成长大并连接起来，使基体强度、韧性及塑性等性能急剧降低，最终导致爆管。

3预防措施

  为避免氢损伤的再次发生，确保锅炉的长期安全运行，根据氢损伤产生的特点，需要采取以下措施进行防范：

  1)加强金属监督。采取测厚、X射线照相及金相抽查等方法，定期对易发生氢损伤区域的水冷壁管进行检测，及时更换已发生氢损伤的管段，并在更换结束后进行化学清洗。

  2)加强化学监督。严格控制给水品质，避免因给水不合格导致管内结垢，引起垢下浓缩；加强锅炉排污管理，确保炉水品质合格；定期进行化学清洗，除去管内沉积物．做好停炉保护，防止停炉期间发生腐蚀。

  3)改善炉内燃烧环境。通过调整燃烧、合理配风，降低管壁温度，防止超温；防止锅炉长期低负荷运行，避免因水冷壁管水动力循环不稳定，导致个别管子产生循环停滞现象。

  4)严格运行管理。要求司炉人员严格按照规程操作，避免人为操作引起的安全隐患。

4结论

  本次爆管后，电厂技术人员对锅炉采取了以上预防措施，经过半年的实际运行，目前锅炉进行内部检验，未发现氢腐蚀现象，说明以上措施合理有效，对相关锅炉预防氢腐蚀有一定的参考作用。