典型的水冷壁氢腐蚀爆管剖析

谢亿，陈红冬，杨湘伟，胡浩波

(1．湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙 410007;2．湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙 410007)

湖南省某化工企业热电厂的3号锅炉由武汉锅炉集团有限公司生产，型号为WGZ－240/10.3－I，于1998年投入运行。近年来，该锅炉频发爆管，2010年8月又发生1次爆管事故。

1 试验方法与分析

1.1 宏观检查

水冷壁材质为20G，设计规格为Φ60 mm×5 mm，爆口管子表面没有明显的氧化皮，也无胀粗和鼓包。爆口呈天窗型，其边沿无塑性变形，呈脆性失效特征，管内壁存在腐蚀剥落，其中脱落严重部分壁厚仅1.9 mm，不到设计壁厚的40%，见图1。管内壁其它部位还有多处溃疡型腐蚀剥落，腐蚀现象较为普遍。爆管处管壁存在明显的分层，其组织在4%硝酸酒精的作用下呈现明显颜色差异，见图2。

图1 爆口形貌

1.2 金相组织分析

爆口处的金相组织存在明显的分层，见图3(a)，管外壁侧金相组织为铁素体+珠光体，珠光体球化1.5级，组织正常，见图3(b)。管内壁侧显微组织绝大部分是白色的铁素体，几乎没有黑色的珠光体存在，说明管内壁存在脱碳现象，见图3(c)，脱碳严重区域厚度达到4.5 mm，占到设计壁厚的90%。脱碳区有黑色条状显微裂纹，沿着铁素体晶界分布，见图3(d)。这些显微的沿晶裂纹是肉眼看不到的，它们的存在破坏了金属晶粒之间的联系，致使金属的强度和塑性降低〔1〕。

1.3 力学性能试验

在爆口向火侧取1组试样进行拉伸试验。试验发现1－1样品断裂位置存在内壁缺陷，见图4，试验结果不合格。其余样品抗拉强度及伸长率均符合GB5310－2008《高压锅炉用无缝钢管》〔2〕标准要求，具体试验数据见表1。

图2 爆管处管壁形貌特征 (4%硝酸酒精)

图3 爆口处金相组织

表1 拉伸试验力学性能

图4 1－1拉伸试样断裂处形貌

1.4 母材成分分析

化学成分分析结果显示，爆管试样的S含量为0.021%，虽然不符合GB 5310－2008《高压锅炉用无缝钢管》标准要求，但是该锅炉是在1998年投运的，应该按照旧标准GB 5310－1995《高压锅炉用无缝钢管》〔3〕进行评估。因此，爆管试样母材化学成分符合要求。具体分析数据见表2。

表2 母材化学成分 %

1.5 垢物化学成分分析

图7 爆管内壁垢样

图7示出爆管内壁结垢形貌，垢样呈黄色，并分层剥落。取垢层样灼烧并作成分分析，450℃灼烧减少0.38%，900℃灼烧减量为负数。成分分析表明管内附着物主要是氧化铁垢，占68.05%，并混有磷酸盐和钙盐水垢，具体数据见表3。

表3 结垢层各化学成分含量 %

1.6 炉水品质

查看该热电厂锅炉运行记录，发现2009年11月7日前炉水的pH值明显偏高，且没有进行磷酸盐加氢氧化钠处理，导致炉水的氧含量高。

2 氢腐蚀机理分析

综合上述试验分析结果，可以判定此次爆管的原因为氢腐蚀。造成水冷壁管氢腐蚀爆管的原因是多方面的，主要有蒸汽腐蚀、碱性腐蚀和酸性腐蚀〔4〕。

蒸汽腐蚀主要发生在炉膛热负荷较高区域，一般为水冷壁管的向火侧。由于炉内火焰中心偏斜、热负荷分布不均，局部热负荷变化幅度较大，造成局部管壁金属温度波动和超温，破坏了水冷壁管内表面钝化膜的连续性，而钝化膜遭到破坏地方，就是氢腐蚀的发源地。当管壁金属温度大于400℃，管内产生汽水分层或蒸汽停滞时，就可能发生蒸汽腐蚀，其反应式为:

产生的氢会扩散到钝化膜遭到破坏处的钢管中，与钢中的渗碳体进行反应，生成甲烷，使钢基体脱碳。反应式如下:

由于甲烷在钢中的扩散能力很低，大部分积聚在钢基体的晶间，使晶间产生局部压力 (最高可达到1.8×104MPa)，最终导致晶间裂纹产生。

碱性腐蚀是由于炉水中的pH值过高，从而产生游离的氢氧化钠在水冷壁管内侧垢物下发生浓缩，使得炉管内表面的保护膜溶解。暴露出来的钢管新鲜表面与炉水中的游离氢氧化钠反应生成氢原子和亚铁酸钠，其化学反应式为:

一旦形成腐蚀产物，由于热阻大，导致腐蚀产物下局部金属基体的温度进一步升高，盐类进一步浓缩，两者互相促进，使腐蚀加剧。由于亚铁酸钠水解为Fe3O4和氢原子，在一定的情况下氢原子还会向金属内部渗透，进而产生氢腐蚀。

酸性腐蚀是在炉水的pH值过低时发生，通过破坏管内壁的保护膜使具有腐蚀性的炉水可以直接与钢铁基体发生如下的反应:

反应生成原子态氢，而氢扩散至钢内部与钢中的碳反应，生成甲烷，进而使钢基体脱碳，产生氢腐蚀。

锅炉在运行工程中，其运行工况和工质不尽相同，同时，上述腐蚀形式又相互作用、相互影响，腐蚀机理较为复杂。通过现场了解，并查阅相关运行记录，认为蒸汽和碱性腐蚀 (尤其碱性腐蚀)是本次氢腐蚀爆管的主要原因，其理由如下:(1)该机组启停频繁，平均每年超过10次，且停炉保养方法单一，只进行给水充压保养，针对性不强。由于充压保养水来自低压除氧器出水，氧气含量高，铁沉积加快，停用期间锅炉腐蚀加重。 (2)排污不当，尤其是定排长期不到位，加快了炉水中的铁沉积。(3)锅炉超过化学清洗规定年限而没有进行酸洗，大大加重了炉管的结垢。2010年水冷壁和冷灰斗割管进行垢量分析，水冷壁垢量为425.06 g/m2，冷灰斗结垢量716.78 g/m2，均达到需要进行化学清洗的要求。(4)锅炉燃用非设计煤种或超负荷出力运行，其火焰中心上移且发生偏斜，导致壁温升高，结垢加重。

3 结论

此次水冷壁爆管属于典型的氢腐蚀。蒸汽和碱性腐蚀，尤其碱性腐蚀是本次氢腐蚀爆管的主要原因。

4 处置建议

水冷壁一旦发生氢腐蚀，处置时涉及的部门较多，包括锅炉专业、金属专业、化学专业以及相关的运行部门。锅炉的运行监督要到位，需及时调整炉膛的火焰中心位置和燃烧带的面积，避免热负荷分布不均。应定期进行水冷壁管取样分析，检查其内壁的腐蚀情况，及时更换已发生腐蚀的管段。同时加强对汽水品质的监测，按《火力发电厂水汽化学监督导则》的相关规定定期进行锅炉的化学清洗。另外，机组尽量在额定工况下运行，避免频繁启停，做好停炉保养，加强排污处理，确保定排和连排到位。

氢腐蚀形成速度快，破坏性和隐蔽性强，严重危害电厂的安全经济运行。电厂各个专业与运行部门应该相互协调，共同做好防止工作，以减少和消除因氢腐蚀导致的爆管事故。

〔1〕张常乐，徐德刚.锅炉水冷壁爆管原因分析〔J〕．山东电力技术，2008，(4):35-37．

〔2〕GB5310－2008高压锅炉用无缝钢管〔S〕．北京:中国标准出版社，2008．

〔3〕GB5310－1995高压锅炉用无缝钢管〔S〕．北京:中国标准出版社，1995．

〔4〕崔仑，孙凯，陈俊峰.电站锅炉水冷壁管的氢腐蚀〔J〕.吉林电力，2004，(5):40-43．

〔5〕DL/T561－1995火力发电厂水汽化学监督导则〔S〕．北京:中国电力出版社，1995．