燃煤锅炉水冷壁管应力腐蚀失效分析

燃煤锅炉水冷壁管应力腐蚀失效分析

伊鹏戴胜杰范伦

（辽阳石化公司113001）

摘要：水冷壁管是燃煤锅炉受热面的重要组成部分，材质为20G无缝钢管，由于腐蚀失效导致多次停炉，造成较大经济损失，为避免类似问题再次发生，主要针对锅炉水冷壁管腐蚀失效问题，通过采用宏观、低倍分析、化学分析、金相分析、电镜扫描等方式对该水冷壁管进行深入剖析，目的在于分析清楚原因，归纳总结出能够提前预防和治理水冷壁管腐蚀失效的有效方法。

关键词：水冷壁腐蚀失效

1概述

水冷壁管材质为20G无缝钢管；管子规格为Φ60×5mm。管内的介质为过热水，温度≤350℃，压力11.28MPa；管外的介质为炉内高温烟气，火焰温度为950℃，烟气中含有一定量的CO、CO2、SO2、SO3及未燃尽的煤粉等。水冷壁管发生腐蚀开裂的位置在锅炉前墙燃烧区偏上的中间部位（上一次风喷口标高）。

入厂煤成分平均值为：挥发分40.46；硫含量0.61%（最高1.76%）；灰分18.38%；灰渣特性3.25（弱膨胀粘结；不膨胀粘结）。

2宏观、低倍分析

锅炉水冷壁管1根腐蚀开裂管段（背火面已经被切割掉，目的是察看向火面水冷壁管内壁的腐蚀及结垢情况）。

水冷壁管开裂泄漏处位于向火侧，裂口呈缝隙状，且裂口附近有许多密集相互平行的表面横（环）向裂纹；裂口泄漏处无明显的塑性变形，该处管壁有减薄现象。

将水冷壁管（A）上（a2处）一条未穿透管壁的横（环）向裂纹打开，可见裂纹从管外壁向内扩展，裂纹内充满腐蚀产物。

从对这根失效的水冷壁管向火面外表面破损状况的宏观与低倍分析，表明该水冷壁管的损坏具有热应力腐蚀性疲劳开裂的特征[1]。

3、化学分析

从水冷壁管（A）上取30×30mm的块状样品，按照GB/T16597-1996等标准，使用荧光光谱仪等，对钢管材质进行化学成分分析，结果碳元素含量0.21（20G碳元素含量0.17-0.24），Mn元素含量0.48（20GMn元素含量0.35-0.65），Si元素含量0.24（（20GSi元素含量0.17-0.37），P元素含量0.012，（20GP元素含量≤0.030），S元素含量0.029，（20GS元素含量≤0.030）。比较可见，水冷壁管材质的化学成分符合20G钢的标准化学成分。

4、金相分析

20G钢无缝管通常以热轧或正火状态供货，其金相组织：铁素体+珠光体。

在腐蚀裂口的水冷壁管（A）上，取其向火面带有横（环）向裂纹金相样品，进行观察和分析。

水冷壁管（A）向火侧管壁组织为铁素体+珠光体；珠光体呈带状，组织正常；外壁有氧化物层；外壁裂纹沿着圆周发展，局部区域有许多相互平行的疲劳裂纹，从外向里扩展，最深的已经要穿透整个管壁；管壁减薄；裂纹内充满了腐蚀介质和腐蚀产物，裂纹走向为穿晶型，呈楔形；裂纹尖端变锐，裂纹长度和宽度比值高，表明裂纹扩展速度很快；楔形裂纹中的中心区域的腐蚀产物呈灰白色，旁边区域的腐蚀产物呈灰黑色。

5、扫描电镜分析

取水冷壁管（A）向火面裂纹处（a2）的“裂纹断口”表面和纵向裂纹金相样品，利用扫描电镜对其进行微观形貌观察和元素成分能谱分析。

在水冷壁管（A）向火面裂纹处（a2）的“裂纹断口”表面，由外向内进行观察和分析。由于炉内高温烟气的氧化、腐蚀及烟尘灰份的作用，使得“裂纹断口”表面被氧化物和烟尘灰份覆盖。由扫描电镜元素成分能谱分析可知，在炉管向火面“裂纹断口”表面，主要元素是Fe和O及S、灰份（Al、K、Si、Ca等）；而且随着裂纹由水冷壁管外壁向内壁的扩展，“裂纹断口”表面上的灰份（Al、K、Si、Ca等）逐渐减少，“裂纹断口”表面逐渐变的“干净”，这说明由于裂纹是呈楔形的，外宽内窄，炉内的灰份只能进入到裂纹外部较宽的部位，而能进入裂纹内部较窄处的灰份则要少很多；但S元素在裂纹中的分布确是基本保持一定的量值。

6、分析与讨论

通过前面对锅炉水冷壁管失效的各项理化检验分析，确认该水冷壁管失效性质属于烟气侧腐蚀性热疲劳。

6.1在向火面产生裂纹、裂纹沿管圆周发展。

局部区域往往有许多相互平行的疲劳裂纹,从外壁向内壁发展。裂纹短而粗,裂纹中充满腐蚀介质和腐蚀产物,呈楔形。

6.2腐蚀性介质主要为硫和氧。

在裂源处有熔盐和煤灰沉积,具有硫腐蚀的特征。

6.3裂纹走向为穿晶型。

当裂纹扩展速度慢时,裂纹尖端圆钝,裂纹长度和宽度的比值低,在裂纹的腐蚀前沿可观察到晶界侵入腐蚀；当裂纹扩展速度快时,裂纹尖端变锐，裂纹长度和宽度比值升高。

腐蚀使水冷壁管向火侧外壁不断减薄，也使生成的楔形裂纹中充满着硫化铁和氧化铁等腐蚀产物。如果水冷壁管向火面只受到高温烟气腐蚀作用的话，是不会产生大量的横（环）向裂纹的。横（环）向裂纹的产生说明该处水冷壁管受到了很大的轴向交变应力。

因此可见，锅炉水冷壁管的失效是在腐蚀介质和交变应力的共同作用下，首先在水冷壁管向火面发生腐蚀并产生热疲劳裂纹，随着腐蚀的不断进行和裂纹的扩展，使管壁局部不断减薄并其承载能力也不断降低，最终在水冷壁管向火面众多横（环）向裂纹中的一条扩展最快的裂纹处开裂而失效。

7、结论

锅炉水冷壁管向火面腐蚀开裂的原因，是炉内高温烟气腐蚀和交变应力共同作用而产生的腐蚀性热疲劳裂纹开裂。

8、建议

8.1对3号锅炉已发生水冷壁管腐蚀破口部位附近的其它管子进行相应的检查，鉴定这些管子是否也有类似的裂纹存在，并及时地进行更换。

8.2关注锅炉的燃烧运行状况，注意送风量，防止产生还原性气氛，减少硫的腐蚀；同时也要采取相应的措施，减少管壁的温差变化，以减小热应力。

8.3对还没有出现热疲劳裂纹和管壁减薄的水冷壁管、以及新更换的水冷壁管，可以采用表面防腐处理（如渗铝、表面喷涂防蚀合金等），都可以抗高温腐蚀，还能抗高温氧化及耐烟气中飞灰的冲刷磨损，我厂#3炉水冷壁管燃烧器区域已采用表面防腐处理，运行已近3年，效果良好。

8.4定期清除受热面管子外壁的结垢，保证管子具有良好的导热性，防止管壁因传热不好，出现超温而引发的强度降低和腐蚀加剧。

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