分享：某电厂锅炉水冷壁管壁厚异常减薄原因

水冷壁管是锅炉的主要受热部分,用于吸收炉膛中高温燃烧产物的辐射热量,也是实现锅炉热量传递与交换的最核心部件[1-4]。由于锅炉运行工况复杂,水冷壁管长期处于高压水汽和高温烟气环境中,壁厚异常减薄给锅炉的安全运行造成重大安全隐患,因此分析其减薄原因,并采取必要的预防措施,对锅炉的安全运行至关重要[5-7]。 

在对某电厂300 MW亚临界机组锅炉进行防磨防爆检查过程中,发现其大批量水冷壁管壁厚异常减薄,水冷壁管材料为SA-210C钢,规格为63.5 mm×7.5 mm（外径×壁厚）。笔者采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、扫描电镜（SEM）和能谱分析等方法对壁厚异常减薄原因进行分析,以消除该类安全隐患。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

水冷壁管向火侧外壁宏观形貌如图1所示。由图1可知：水冷壁管向火侧外壁有较多灰黑色的附着物,附着物厚度已超过1 mm,附着物分为多层,最外层坚硬而易碎,多处附着物存在不同程度的剥离和脱离。 

图  1  水冷壁管向火侧外壁宏观形貌

水冷壁管横截面宏观形貌如图2所示。水冷壁管未见明显变形,背火侧壁厚较为均匀,向火侧壁厚不均匀,局部减薄非常明显。对水冷壁管进行壁厚测量,实测水冷壁管背火侧壁厚约为7.6 mm,壁厚正常；向火侧管壁减薄最严重位置的壁厚仅为4.5 mm,减薄量仅有原壁厚的40%左右,不符合DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》中“锅炉受热面管壁厚应无明显减薄”的要求。对于水冷壁、省煤器、低温段过热器和再热器管,壁厚减薄量应不超过设计壁厚的30%。 

图  2  水冷壁管横截面宏观形貌

1.2   化学成分分析

在水冷壁管上截取试样,采用直读光谱仪对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：试样材料的各元素含量均符合ASME SA-210/SA-210M—2023《锅炉和过热器用无缝中碳钢管子》对SA-210C钢的要求。 

1.3   力学性能测试

在水冷壁管背火侧取样,对试样进行拉伸试验及硬度测试,结果如表2所示。由表2可知：水冷壁管的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及布氏硬度均符合ASME SA-210/SA-210M—2023的要求。 

1.4   金相检验

在水冷壁管上取样,对试样进行金相检验,结果如图3所示。由图3可知：水冷壁管向火侧和背火侧的组织形态无明显差异,显微组织为铁素体+珠光体,晶粒度为10级,珠光体形态较为清晰,边界模糊,晶界上开始有颗粒状碳化物析出,珠光体球化级别为2级,球化程度较轻,未发现异常或明显的过热组织,向火侧外表面残留腐蚀附着物,最厚达1.16 mm。 

图  3  水冷壁管的显微组织形貌

1.5   扫描电镜及能谱分析

对水冷壁管外壁附着物外表面、中间层、内表面进行扫描电镜及能谱分析,结果如图4~6所示。由图4~6可知：水冷壁管外壁附着物外表面元素种类较多,含Fe、O、S、Zn、Si、Al、Ca、Mn等元素；附着物内表面元素种类较少,几乎全部为Fe、O、S元素,应为水冷壁管母材的氧化腐蚀产物。 

图  4  水冷壁管外壁附着物外表面SEM形貌及能谱分析结果

图  5  水冷壁管外壁附着物中间层SEM形貌及能谱分析结果

图  6  水冷壁管外壁附着物内表面SEM形貌及能谱分析结果

2.   综合分析

2.1   试验结果分析

该水冷壁管的化学成分、力学性能均符合ASME SA-210/SA-210M—2023对SA-210C钢的要求。水冷壁管管径无明显变形,向火侧母材显微组织中珠光体球化级别为2级,组织老化不明显,这说明水冷壁管在运行过程中壁温正常,无过热现象。水冷壁管向火侧存在不均匀减薄,外径随向火侧壁厚减薄量的增加而减小,表明水冷壁向火侧壁厚减薄为外壁腐蚀所致。水冷壁管外表面附着物坚硬且易碎,能谱分析结果表明附着物为铁的氧化物和硫化物,从而判断水冷壁管向火侧发生的腐蚀形式为高温硫腐蚀。 

2.2   腐蚀原因分析

高温腐蚀与煤的种类有很大关系,煤中的硫元素和硫化物是形成腐蚀的主要原因,而煤的燃烧特性又是影响腐蚀速率的主要因素之一。锅炉水冷壁腐蚀发生在不完全燃烧中形成的一氧化碳还原性气氛中,同时有硫化氢存在,使水冷壁管发生硫化物型高温腐蚀[8-10]。煤中的黄铁矿是引起硫化物型高温腐蚀的主要原因,其反应机制如下所述。 

黄铁矿粉末随高温烟气到达水冷壁管附近,在还原性气氛下黄铁矿粉末受热分解出自由原子硫和硫化亚铁。当水冷壁管附件存在H2S和SO2时,也可能发生如下反应。 

在还原性气氛中,由于缺氧,硫原子可以独立存在,当管壁温度超过350 ℃时,会发生硫化反应。 

H2S还能和FeO作用,发生如下反应。 

FeS会继续氧化生成Fe3O4,反应方程式为 

综上所述,煤中硫元素含量高,未充分燃烧的煤粉冲刷水冷壁并形成局部还原性气氛,在温度较高的水冷壁产生高温腐蚀。 

3.   结论与建议

（1）水冷壁管减薄的主要原因是硫化物型的高温腐蚀。 

（2）水冷壁管产生高温腐蚀的主要因素有水冷壁区还原性气氛、水冷壁管壁温、煤质品级及燃烧状况等。 

（3）建议电厂加强对水冷壁管的监督检查,重点关注历史发生腐蚀部位,尤其是近期存在煤质波动、锅炉运行调整等情况时,须利用临停、检修等机会增加割管频次、扩大割管范围,检查相应管系的腐蚀情况,并根据腐蚀情况采取针对性处理措施,及时更换腐蚀减薄导致强度不足的管子,对易发生腐蚀减薄的区域采取加装防护瓦或喷涂等防护措施。 

（4）建议电厂在煤质含硫量和水冷壁壁温保持不变的情况下,通过燃烧调整优化,控制好氧元素含量,避免燃烧区域因局部缺氧而形成还原性气氛,可以有效减少水冷壁硫化物型高温腐蚀减薄现象的发生次数。 

文章来源——材料与测试网