火力发电厂锅炉水冷壁泄漏原因及对策分析

火力发电厂锅炉水冷壁泄漏原因及对策分析

权家鹏

中能建建筑集团有限公司 安徽合肥 230000

摘要：目前，由于是市场发展的新时代，由于群众的生存质量日渐上升，对电力的需求量也在日益增长，某电厂锅炉水冷壁管段出现了强烈的腐蚀性，从而产生了泄露。经对泄漏管段采样，并采用了宏观检测、化学成分测试、金相分析和XRD测试，剖析了水冷壁管的泄露因素。分析人员指出，由于焊缝的焊接质量不好，造成了汽水循环系统的不畅通，炉水在经过时形成了涡流，当水垢在这里沉淀后，炉水更进一步地在垢下浓缩，产生垢下性侵蚀，从而造成金属内壁的逐渐侵蚀减薄，甚至渗漏，而泄漏原因则是由于局部的垢下碱性侵蚀。因此针对其特殊性，给出了具体的整改措施与建议。

关键词：电厂锅炉；水冷壁管；焊接材料；

前言：水冷壁管是高热锅炉的主要元件之一，用来接受锅炉内高热火柱和烟尘所产生的强烈辐射热量,使管内溶剂受热而挥发,并具有保温锅壁的功能。该系统结构要求具有良好的热传导稳定性、耐热疲劳稳定性和耐热环境的腐蚀性能,同时要求抗磨性能、加工工艺性能良好,还特别要求焊接的稳定性优异。常用的材质有超临界、超超临界用的高合金材质，而其长年采用的极限壁温则是≤四百五十℃。本篇重点对发电厂锅炉的水冷壁管泄露问题和解决方法进行了论述，以供参考。

一、试验

某电厂锅炉水冷壁管段出现了强烈的腐蚀性，因而生成渗漏。经对漏水管段采样，采用了宏观监测、化学成分测试、金相分析和XRD测试，剖析了水冷壁管的渗漏因素。分析人员指出，由于焊缝的焊接品质不好，造成汽水循环系统不畅通，炉水在经过时出现了涡流，水垢在这里沉淀后，炉水逐渐地在垢下浓缩，生成垢下侵蚀，从而造成了金属内壁的逐渐侵蚀减薄，甚至渗漏，而渗漏因素则为局部垢下碱性侵蚀。向火侧的金相组织也略有增长，锈蚀物质的主物相为三氧化二铁相，而腐蚀物质的主体组成形态为层状或网状的金属氧化物，而氧化物的成分则大部分是氧元素和铁元素。针对此特征，给出了具体的整改措施与建议。

（一）宏观检验

从泄露的水冷壁管段取样后，对泄露口纵剖。泄露点在管向的火面焊缝部，成正方形，长约二十一mm，宽约十四mm。在管道内壁金属材料表层上形成凹凸不均的侵蚀坑，在侵蚀坑处形成了黑褐色腐蚀性物质。焊缝内表面错缝根部尚未焊满，深度大约为二mm。由于焊缝的焊接品质不好，造成汽水循环系统不畅通，当炉水经过时形成了涡流，水垢在该处沉淀后，炉水逐渐地在垢下浓缩，形成垢下侵蚀，从而造成金属材料内部的逐渐侵蚀减薄，甚至渗漏，泄露成因为局部垢下碱式的侵蚀。在泄露口周围管子外壁出现了紧密的周向裂纹，裂缝成楔形由外墙面向内壁延伸，裂缝内也出现了腐败物质。

(二)金相分析

对泄漏管段的纵切面实行金相检验,并研磨一至六百金相砂纸,接着使用金刚石研磨剂对试验模具表面实行机器磨光,最后再使用百分之四硝镪酸乙醇溶液(每100ml水溶液中:分析纯硝酸4ml、无水乙醇96ml)实行化学浸蚀,浸蚀后再用无水乙醇溶液清洗,最后应用电热杯吹干。最后,利用AxioVerTA1式金相显微镜对金相内部结构开展了观测,并根据中国国家标准《火工厂用20号钢珠光体球化分级标准》对金珠光体结构实行了球化分类,测试结论为。泄露口附近的金相结构中已无铁素体的存在和碳化物,且珠光体结构也已消失,但碳化物仍成球状散布在铁素体颗粒边界上的晶内,珠光体球化得分5级;距泄露口附近5mm的金相结构已无铁素体、珠光体和碳化物,但珠光体中的碳化物仍成球状积聚在奥氏体晶粒边界上,珠光体球化得分3~4级;距泄露口周围10mm处金相结构主要有铁素体、珠光体和一些碳化物,珠光体中的碳化物为球状凝聚于奥氏体晶粒界面上,珠光体球化评分为3级;距泄露口周围各15mm处的金相结构主要为铁素体和珠光体,珠光体特点最明显,珠光体球化评分为1~2等,并出现周向裂缝,即出现裂缝成楔形由山嵴向内壁延伸,且裂缝中出现大量腐败物质。其泄露口外侧20mm处、向内30mm处,以及泄露口背侧面母材的金相组织均为铁素体和珠光体,珠光体特点比较突出,珠光体球化强度约为1~2级;泄漏口后部焊缝的金相组织则是颗粒粗大的魏氏组织。

（三）XRD检测

可取下水冷壁管内部腐蚀槽中的腐蚀物，并研磨成粉末，再通过X'PertPrO型X射线衍射仪进行物相研究，仪器的技术参数是电流四十kV，电流四十mA，阳极靶材是Cu靶，腐蚀物的主元素为Fe3O4。

二、试验结果

泄漏口管段的物理化学组成都在标准范围以内,未出现金属材料误用和物理化学组分不符合要求的现象。但焊缝附近的管道段内部腐蚀区减薄范围很大,不出现渗漏,在内壁侵蚀槽中产生了大量深褐色腐蚀产物,深褐色腐蚀产生的化学物相为FeO。如通过对金相分析,发现在焊接上的金相构造为颗粒最粗大的魏氏构造,而魏氏构造又是钢的一种重要过热缺陷构造,并结合了焊接的宏观特征和层面形貌特点(存在错口和未焊满),可证明环缝的点焊工艺不合理、焊接性能较差;比较纵剖表面中不同位置的金相物质球化的现象,我们可以发现离泄露口越靠近,珠光体球化现象也越强烈,主要由于水垢的导热性能比较弱,当血小板黏附在内壁表面时,就影响了热传导方向,炉水也无法较好的冷却管壁,因此造成了部分向火的金属板材高温上升,从而产生了过热,导致泄露口周围的管壁金相组织球化等级很高;管外壁也出现了密集地向内部扩展的周向裂纹,裂缝内也出现了腐败物质,说明裂纹在本次泄露以前即已出现。

分析还表明,由于焊缝的连接质量较差,焊缝底部发生了错缝,同时根部发生未焊满的情况,从而导致了局部汽水循环系统的不畅通,当炉水通过时,流量突然减小,在该处形成旋涡,垢物就在这里沉淀。而在水冷壁的表面附着的水垢、腐烂产物以及沉淀,是造成局部锅液pH值偏高、或发生在垢下锈蚀现象的必要条件。沉淀越多越易受到铁垢和酸式的腐蚀。当垢物析出后,因热传导不良,管壁温度迅速升高,炉水便在此浓缩,pH值增大。在pH值〉13下,管壁金属表面上的保护膜如Fe3O4会与浓缩的炉液发生成化学反应,如图所示:Fe3O4+4NaOH=2NaFeO2+Na3FeO2+2H2O

化学反应中生成的NaFeO2和Na3FeO2必须在高pH值下才能水解。当Fe3O4的沉淀(水垢)黏附在向火面金属材料内壁(阳极)后,因为受到水垢的阻挡,沉淀在外层的炉液无法和沉积下表面浓缩的炉液混匀,从而导致了沉积物下炉液继续的局部中国近代史,增加了对沉积物下金属材料内部的继续侵蚀,并逐渐产生了凹凸不平的侵蚀槽,使金属管壁不断地减薄,甚至渗漏。此次泄露的主要地点就设在吹灰器周围,由于吹灰器生成大量冷凝水,在与吹灰机作用时,大量冷凝水喷射在高温的管道外表面,生成了短暂的急凉,并与管壁高温剧烈的转变,造成巨大的热应力,导致了塑性变化与损伤的累积,生成热疲劳,外壁出现了致密的周向断裂,而断裂没有击穿管壁,并非此次泄露的首要问题。发电厂的冷壁管在处于不良的情况下操作,引起爆管泄露是比较普遍的问题,其中垢下腐蚀是较为普遍的问题之一。当锅炉的工作过程中,由于受到室内介质的热冷却影响,水冷壁管本身工作温度虽不高,但当由于凝汽器漏水以及内部给水处理装置失效而导致的给水存在过量盐分和氧时,水垢就容易沉淀于内部供热压力较大的水冷壁管或火侧内壁,从而造成水垢下侵蚀。积垢会引起传热下降,加剧垢下侵蚀,造成恶性循环,甚至漏水。钢管的物理化学成分均符合标准要求、金相组织结构为铁素体+珠光体，珠光体为二级球化，目前尚未发现异常结构，外表面侵蚀层中存在着丰富的O、S等成分，其主要侵蚀形式为水冷壁管常见的外侧高温烟气侵蚀，并提示了预防措施与方法。

三、讨论

（一）技术原因

针对锅炉发展循环的要求，发现前壁水冷壁循环压力显然超过后壁水冷壁。在下沉管直接从前水下集箱供水的前提下，由于顶棚水管的进出口高度相差很小，与布风面下水管也无明确高度差别，所以后墙水冷壁的整个循环回路中，由于增加压力较多，所以基本上不产生水循环能力，循环系统动能大部分都是后墙水冷壁垂直度段与下沉管间的液体压力差，所以前墙水冷壁的水循环量压力显然低于后墙水冷壁，但循环系统能力差别也并不大，所以前墙水冷壁会产生抢水情况，对后墙水冷壁的循环系统能力产生了不好作用。通过对布风板管道、后墙水冷壁下集箱、后墙水冷壁管道的构造加以研究，可以证明布风板管道是45根φ83×8根的管道，后墙水冷壁是九十六根。布风板中间的管道，每根管道和后水冷壁集盒相连的地方，都相应二根后墙水冷壁管，而左、右边从第一根布风板管道流入的地方，每根都相应三根后墙水冷壁管。这样，在角部的后壁水冷壁管也容易发生热供给不足的现象。从传热上来看，由于后墙与水冷壁二个角处的管道本身受炉膛出口辐射热影响较弱，因此为了减少损坏（循环流化床锅炉角部损坏一般较剧烈），也采取了浇注料铺设的方法，从而更进一步减少了传热方式，但在整体构造上来说，后墙水冷壁二个角处的管道循环系统速度最低、最易出现自然水循环故障。

（二）由超温引发的锅炉水冷壁泄露

(1）在设备工作中，尽量采用燃烧调节，并综合稳定地采用减温水和吹灰，以降低烟气浓度、气温两侧误差和受热面壁温误差，并保持各个阶段的受热面吸湿正常，以避免超温和温度的致突变。(2）在锅炉运转中严格控制减温度量，保证各级减温水的合理开启程度，并管理好减温器后蒸汽温度，避免蒸汽温度的改变速度超过要求，避免局部受热面超温。减暖水调门避免温度大幅变化，也避免因降低温度水量大起大落导致的减温器管路疲劳断裂，或水冷壁超温爆管。(3）增加对受热面管道内壁高温的观察，并设立了受热面管道内壁高温的蒸汽超温台账，以记载超温范围、持续时间等，并加以研究。

(三)因破坏而导致的高锅炉温度水冷壁泄漏

水冷壁管的破坏原因主要与以下各种因素相关:①燃料的高含硫量。②烟尘与水灰分粒子间的热冲蚀。③燃料的高含硫量。④对烟尘与灰分粒子的严重冲蚀。泄漏口管段的化学成分均在国家标准范围之内,从而没有发现材料误用或和标准物理化学元素不一致的情况。焊缝附近的钢管由于内部腐蚀而减薄很大,并产生了渗漏现象,在内部的腐蚀槽内形成了大批黑褐色腐蚀物质,由黑褐色腐蚀所产生的重要物相为Fe3O4。经过对金相分析,可以表明在焊接部位的金相结构主要是晶粒较粗大的魏氏结构,而魏氏结构又是钢的一个过热缺陷结构,根据焊接的宏观层面形貌特征(存在错口和未焊满),可以表明环缝的焊接方法错误、焊缝品质不良;通过对比在纵剖面的各个部位的金相结构球化的情况,可以看出离泄露口越靠近,珠光体球化情况就越突出,主要是由于水垢的导热性能不好,在粘附于内壁上之后,强烈的改变了热传导方向,炉水无法很好的冷却管壁,导致部分向火的金属材料高温上升,从而产生了过热,导致泄露口周围的管壁金相组织球化等级也很突出;管道外壁出现密集的向内部扩展的周向裂缝,裂隙内出现腐败物质,说明裂缝在本次泄露以前即已出现。分析人员指出,由于焊缝的焊接品质不好,焊接部出现了错缝,同时根部出现了未焊满的情况,导致局部整体汽水循环系统不畅通,当炉水通过时,流量减小,在该处形成旋涡,水垢物质在该处沉淀。水冷壁内表层附着的水垢、腐败产物等沉淀物,是导致局部锅水pH值偏高、形成在垢下腐蚀现象的条件。沉淀越多越易引起在垢下碱性的侵蚀。当垢物沉淀时,由于热传导不良,管子的温度增高,炉液向此处浓缩,pH值也增加。在pH>13下,管壁金属表面上的保护层Fe三O四可以和浓缩的炉水生成反应,保护层在高pH值下很容易水解。在金属表面保护层水解后,管道表层产生了浓差电池,由于受到水垢的阻挡,堆积层外的炉水无法与堆积层内浓缩的炉水融合,从而导致了堆积层内炉水进一步的局部浓制,增加了对堆积层下金属材料内壁的进一步侵蚀,并逐渐产生了凹凸不平的侵蚀槽,使金属管壁进一步减薄,甚至渗漏。

结论：根据上述情况，锅炉水冷壁高温腐蚀问题是电厂中较为普遍的现象，全国不少电厂均出现了不同程度的锅炉水冷壁高温腐蚀问题，这对电厂的产量也造成了一些负面影响。而本次泄露的主要问题则是局部垢和碱式锈蚀。为了保证锅炉水高温的稳定工作，在经过全面研究了爆管问题后，针对问题性质，给出了以下的一些意见：1）利用停炉的时间，进行浸酸，以及时去除各种水垢和腐败物质；同时检测吹灰机周围的管道，检查是否产生高温疲劳，对出现了疲劳断裂现象的管道按吹损时间和断裂的严重程度，进行了逐批替换；2）改善了焊接工艺，以保持良好的软性饮料循环；3）根据GB/T12145-2008《火力发电机组及蒸汽动力装置水汽质量》的规定，通过强化了对炉水的化学监测，以掌握好炉水中的pH值，从而改善了炉水和蒸气的品质。

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作者简介：权家鹏(1990-），男，汉族，安徽六安人，助理工程师，本科学历，研究方向：机电工程。