王 云 李向陽

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西電力建設(shè)有限公司，太原 030031）

水冷壁管主要用來吸收爐膛中高溫火焰的輻射熱量，并在水冷壁管內(nèi)產(chǎn)生蒸汽和熱水，以降低爐墻的溫度[1]。水冷壁是鍋爐中最主要的蒸發(fā)受熱面，其中鍋爐爐膛中有40%～55%的熱量被水冷壁吸收[2]。電站鍋爐水冷壁的腐蝕將直接導(dǎo)致水冷壁管子減薄，存在爆管風(fēng)險[3-5]。因此，分析討論水冷壁腐蝕對機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

1 試驗(yàn)分析

1.1 宏觀分析

對送樣管宏觀分析發(fā)現(xiàn)，水冷壁管背火面呈土褐色，向火面有積灰層和腐蝕層包裹，顏色呈深灰色，同時伴隨有大面積崩落，整體宏觀形貌見圖1。

圖1 送樣管段整體形貌

仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，水冷壁管向火面腐蝕產(chǎn)物較厚，且有明顯分層，并伴隨有大面積脫落。表層產(chǎn)物呈現(xiàn)乳白色，為樹皮狀形貌，厚度較薄，見圖2（a）。里層為高溫氧化銹蝕層，顏色呈鐵銹色，厚度較厚，見圖2（b）。此外，在管子外壁還發(fā)現(xiàn)有孔雀藍(lán)色。

圖2 水冷壁管向火面腐蝕產(chǎn)物

1.2 化學(xué)成分分析

水冷壁送樣管元素成分檢測結(jié)果，見表1。采用直讀光譜儀進(jìn)行光譜分析，結(jié)果表明，試樣管化學(xué)成分符合ASME SA-210/SA-210M 2019表1對SA-210A1材質(zhì)元素含量的要求。

表1 水冷壁試樣管化學(xué)成分表 單位：%

1.3 力學(xué)性能測試

1.3.1 拉伸試驗(yàn)

對水冷壁送樣管取4根型拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表2。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，H2、H4屈服強(qiáng)度不合格，伸長率不足，其余符合ASME SA-210/SA-210M 2019表3對SA-210A1的拉伸要求。

表2 試樣管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.3.2 尺寸測量

對試樣進(jìn)行尺寸測量，結(jié)果見表3。測量結(jié)果表明，水冷壁管無脹粗，向火面已經(jīng)嚴(yán)重減薄，可能導(dǎo)致減薄的原因有內(nèi)部沖刷和高溫腐蝕。

表3 試樣管外觀尺寸

1.4 腐蝕產(chǎn)物分析

水冷壁試樣管腐蝕嚴(yán)重處取環(huán)狀樣，橫截面磨拋后觀察向火面外壁區(qū)域腐蝕產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物厚薄不一且大部分已崩落。腐蝕產(chǎn)物分層線掃描結(jié)果見圖3（a），腐蝕產(chǎn)物表面層能譜分析見圖3（b）。能譜試驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。

表4 能譜試驗(yàn)結(jié)果

圖3 水冷壁試樣管腐蝕產(chǎn)物分層能譜

根據(jù)能譜試驗(yàn)結(jié)果可知，水冷壁試樣管腐蝕產(chǎn)物表面層的化學(xué)成分主要為O、S、Si、Al、Mg、Na、Ca以及K等多種元素。

1.5 金相組織分析

依據(jù)《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T 674—1999）對水冷壁試樣管向火面和背火面進(jìn)行金相組織評定。試樣管向火面球化程度為未球化-傾向性球化，球化級別為1.5級。珠光體中的碳化物部分開始分散，珠光體形態(tài)明顯。試樣管背火面球化程度為未球化-傾向性球化，球化級別為1.5級。珠光體中的碳化物部分開始分散，珠光體形態(tài)明顯。如圖4所示。

圖4 水冷壁試樣管金相組織

2 分析討論

2.1 材質(zhì)方面

水冷壁管材質(zhì)符合SA-210A1材質(zhì)范圍要求。力學(xué)性能拉伸、屈服強(qiáng)度部分不合格，伸長率不足。金相組織球化級別為1.5級，屬部分傾向性球化。分析表明，材料強(qiáng)度不足的原因可能與使用方面受組織部分傾向性球化導(dǎo)致輕微退化有關(guān)，也可能與原始管段強(qiáng)度等指標(biāo)先天不足有關(guān)。

2.2 腐蝕方面

水冷壁服役溫度在386～397 ℃。鍋爐在運(yùn)行過程中由于燃煤中硫及其他有害雜質(zhì)的存在，在高溫下對水冷壁造成高溫腐蝕。在燃煤鍋爐中，高溫腐蝕分為硫酸鹽型、氯化物型和硫化物型3種。水冷壁的高溫腐蝕通常是這3種類型腐蝕復(fù)合作用的結(jié)果。腐蝕產(chǎn)物分層能譜分析表明，腐蝕產(chǎn)物主要包括O、S、Si、Al、Mg、Na、Ca以及K等多種元素。分析認(rèn)為，這些元素分布特征表明水冷壁腐蝕主要為硫酸鹽型高溫腐蝕。

2.3 硫酸鹽型高溫腐蝕機(jī)理

在爐內(nèi)高溫下，煤中的NaCl中的Na+易揮發(fā)。除一部分被熔融的硅酸鹽捕捉外，有一部分與煙氣中的SO3發(fā)生反應(yīng)，形成Na2SO4；另一部分是易于揮發(fā)性的硅酸鹽，與揮發(fā)的Na+發(fā)生置換反應(yīng)釋放出鉀，與SO3化合生成K2SO4。堿金屬硫酸鹽有黏性且露點(diǎn)低。在堿金屬硫酸鹽沉積到受熱面的管壁后會再吸收SO3，并與Fe2O3、Al2O3作用生成焦硫酸鹽(Na,K)2S2O7。這樣受熱面上熔融的硫酸鹽吸收SO3，并在Fe2O3、Al2O3作用下生成復(fù)合硫酸鹽的沉積，熔點(diǎn)降低，表面溫升升高。當(dāng)表面溫升升高到熔點(diǎn)，管壁表面的Fe2O3氧化保護(hù)膜被復(fù)合硫酸鹽破壞，會繼續(xù)腐蝕管壁。

2.4 測量方面

向火面腐蝕產(chǎn)物厚度測量數(shù)據(jù)顯示厚度達(dá)1.6 mm，可見腐蝕程度比較嚴(yán)重。水冷壁管內(nèi)外徑測量表明，管子無脹粗現(xiàn)象，壁厚測量減薄嚴(yán)重，測量值中最薄處僅為4.9 mm，相對于6.5 mm厚度管而言，減薄量達(dá)到25%，大大降低了水冷壁的承壓能力。

3 結(jié)語

鍋爐水冷壁腐蝕主要為硫酸鹽型高溫腐蝕。燃煤中的S、K、Na等物質(zhì)的存在，導(dǎo)致高溫腐蝕。煤粉火焰沖刷水冷壁、配風(fēng)狀態(tài)、易于出現(xiàn)的還原性氣氛等，均對水冷壁產(chǎn)生高溫腐蝕有促進(jìn)作用。高溫腐蝕直接導(dǎo)致水冷壁向火面持續(xù)減薄，繼續(xù)使用將存在爆管風(fēng)險，建議及時更換。此外，建議對鍋爐煤質(zhì)成分進(jìn)行檢查，同時檢查鍋爐配風(fēng)狀況。