循环流化床锅炉水冷壁管的腐蚀失效分析

薛东剑周振华成 波张国祥

（1.宁波市特种设备检验研究院 宁波 315048）

（2.余姚市市场监督管理局 余姚 315400）

循环流化床锅炉水冷壁管的腐蚀失效分析

薛东剑1周振华1成 波2张国祥1

（1.宁波市特种设备检验研究院 宁波 315048）

（2.余姚市市场监督管理局 余姚 315400）

针对某高压循环流化床锅炉水冷壁管底部弯管处爆管原因进行失效分析，通过对爆管管段进行宏观检查、化学成分分析、力学性能分析、腐蚀产物分析、金相分析以及运行期间水质化验记录调查，表明锅炉水质pH偏高时在密相区弯管处向火侧内壁发生碱浓缩引起碱腐蚀，弯管处存在的残余应力在强碱性环境下引起碱应力腐蚀，两者共同作用导致了本次爆管的发生。加强水质监控和消应力处理可有效防止碱腐蚀和碱应力腐蚀。

循环流化床锅炉 水冷壁 碱腐蚀 碱应力腐蚀 失效分析

1 概况

据统计，水冷壁事故占到循环流化床锅炉事故的80%。针对循环流化床水冷壁管失效问题，国内外技术研究人员做了大量的工作，并且取得了一定的成果，但是锅炉水冷壁管的爆漏事故仍时有发生。循环流化床水冷壁管的失效形式多种多样，常见的有磨损、短时过热、氧腐蚀、碱腐蚀等，而碱腐蚀和碱应力腐蚀共同作用导致的爆管停炉事故还比较罕见［1-4］。

近期，宁波某热电有限公司YG-220/9.8-M3型高压循环流化床锅炉发生水冷壁管爆管事故，事故发生时炉膛负压从-88Pa突升至2000Pa，一次风量从8.3 万m3/h降至2.5万m3/h，二次风量基本不变，引风机电流从35A降至22A，水位从0mm突降至-200mm，MF动作，主汽压力迅速下降，就地检查给煤机发现给煤机不是烟气反窜而是冒蒸汽，同时发现本体也在冒蒸汽1#炉床温突然又骤降，从700℃一直跌到100℃左右，水位也迅速下降。该锅炉水冷壁管的材质为20G钢，规格为φ60mm×5.0mm，为找到爆管原因，提出对应的解决方案，以避免同类事故的再次发生，有必要对其进行失效分析。

2 失效分析

2.1 失效管宏观形貌观察与分析

爆管水冷壁位于锅炉卫燃带上方弯管（图1右起第4～7根）起弯处的向火侧内表面，观察从水冷壁爆管管段割下的样管，可看到管段内侧存在很多明显的腐蚀凹坑，整片分布，深浅不一，最深可达2.5mm，表面有少许红褐色的腐蚀产物，靠近金属基体的部位呈现黑色，端口尖锐呈撕裂状并具有长度约5cm裂纹存在（图2、图3）。背火侧则未见明显异常。

图1 水冷壁管修复后概貌

图2 水冷壁管爆管图

图3 水冷壁管向火侧内壁图

图4 水冷壁管背火侧内壁图

2.2 水冷壁管金相分析

从水冷壁爆管管段割下的样管，对其向火侧和背火侧分别进行金相显微组织分析，金相检验采用机械抛光，浸蚀液为4%硝酸酒精溶液，放大倍数200倍。图5为水冷壁管向火侧材料的显微组织图，组织形态为铁素体加珠光体，珠光体球化级别3.5级，趋向于中度球化，显微晶粒度为8级。图6为水冷壁管背火侧的显微组织图，组织形态为铁素体加珠光体，珠光体球化级别2.5级，显微晶粒度为8级。说明水冷壁管向火侧表面存在局部过热情况。

图5 水冷壁管向火侧内壁图（x200）

图6 水冷壁管背火侧内壁图（x200）

2.3 水冷壁管材质分析

从水冷壁管爆管时割下的样管制取分析化学成分试件，对其化学成分进行分析，结果见表1。可见，水冷壁管化学成分均符合国家标准GB 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》的技术要求。

表1 化学成分分析结果

2.4 力学性能分析

从水冷壁爆管管段取样制成力学性能分析试件，试验结果见表2。由试验结果可知，试样力学性能指标符合标准要求。冲击实验试样尺寸为55mm×10mm×2.5mm。

表2 力学性能试验结果

2.5 垢样分析

采用刮垢法测定爆破口周围沉积物量平均值为578g/m2。对腐蚀产物用X射线衍射仪分析，腐蚀产物主要为四氧化三铁（Fe3O4），并有少量的三氧化二铁（Fe2O3），与外观观察时表面有少许红褐色的腐蚀产物（Fe2O3），靠近金属基体的部位呈现黑色（Fe3O4）。

2.6 炉水水质调查分析

GB/T 12145—2008《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》标准规定给水pH应在9.2～9.6之间，查阅该锅炉最近一个月炉水水质监测记录中，给水pH值超过上限值9.6的天数为19天。

图7 锅炉水质监测记录表

3 失效原因分析判断

从水冷壁管爆破部位的宏观检查、金相检验、力学性能分析及垢样检测结果判断，本次水冷壁管失效是碱腐蚀与碱应力腐蚀共同作用的结果。1）水冷壁向火侧内壁分布有很多腐蚀坑，最深达2.5mm，具有典型的腐蚀失效特点。2）腐蚀发生在向火侧内壁，腐蚀坑为凿槽型，靠近金属基体的部位呈现黑色，腐蚀产物为层状，主要是Fe3O4，这些腐蚀特征和水质特征符合碱腐蚀的特征［1，7］。3）金相检验表明腐蚀坑下金属的金相组织无脱碳现象， 排除氢脆的可能性。爆管处附近组织趋向于珠光体球化，说明运行过程中在水冷壁管弯头处存在局部过热现象。4）与单纯的碱腐蚀无腐蚀裂纹相比，此次事故爆管内壁有多处裂纹存在，结合爆破发生在卫燃带上方弯管处存在残余应力，符合碱应力腐蚀的特点［1，6-7］。5）对水冷壁管向火侧腐蚀坑附近基体化学成分进行分析，结果均符合国家标准GB 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》中有关20G钢材质的技术要求，说明管材基体材质无产生腐蚀坑的内部因素。

4 结论

1）高碱性水质环境下出现的局部碱浓缩是碱腐蚀和碱应力腐蚀发生的主要原因。

2）水冷壁管发生此类腐蚀主要在向火侧，背火侧则无明显异常。本次水冷壁管泄漏区域发生在卫燃带上方弯管处，炉水杂质易沉积，也处于循环流化床的密相区，热负荷较高，导致向火侧炉水中的碱浓度较高，形成碱腐蚀，腐蚀产物主要为Fe3O4。

3）弯管处存在的残余应力在强碱性环境下可成为碱应力腐蚀的条件。

4）造成本次循环流化床锅炉水冷壁管卫燃带上方弯管爆管的原因是，局部发生碱腐蚀与碱应力腐蚀，它们共同作用造成水冷壁管腐蚀失效。

5 建议

1）锅炉运行中加强水质监控，确保锅炉水质各项指标符合相关标准要求。

2）锅炉制造过程中对炉膛内弯管进行消应力热处理可降低发生碱应力腐蚀的可能性。

3）锅炉检验时，检验人员在实施检验前应充分了解锅炉的结构以及锅炉运行特点，如水冷壁管弯管（既是流体流动方向骤变处，也常常是焊缝附近）、高热负荷部位等处应是检验重点，其次应仔细查看锅炉运行、水质监测记录，在按新颁布的《锅炉定期检验规则》对锅炉进行内部检验时，水冷壁管的割管检查位置可选在卫燃带上方弯管处以及热负荷较高部位［8］，在分析垢样成分时可结合锅炉结构和运行状况得出结垢和腐蚀产生的原因，阻止腐蚀加剧以提高锅炉的运行安全性。

［1］ 徐洪.高压锅炉水冷壁管碱腐蚀诊断与机理研究［J］.中国电机工程学报，2003，23（2）：183-187.

［2］ 孙连启.循环流化床锅炉水冷壁的磨损形式和寿命评估 ［J］.中国特种设备安全，2015，31（8）：37-41.

［3］ 许宏飞，薛跃军，郑自芹，等.发电厂水冷壁管腐蚀失效分析［J］.兵器材料科学与工程，2013，36（2）：119-122.

［4］ 卢黎明，林凯明，黄晖等.锅炉水冷壁管腐蚀泄露事故分析 ［J］.石油化工安全环保技术，2014，30（4）：43-44.

［5］ 徐伟，李武荣.循环流化床锅炉水冷壁泄露分析［J］.中国特种设备安全，2015（S1）：72-80.

［6］ 汪逸安.碳四装置气相平衡线开裂分析［J］.中国特种设备安全，2015（S1）：134-136.

［7］ GB/T 30579—2014 承压设备损伤模式识别［S］.

［8］ TSG G7002—2015 锅炉定期检验规则［S］.

Corrosion Failure Analysis on Water-cooled Wall Tubes for Circulating Fluidized Bed Boiler

Xue Dongjian1Zhou Zhenhua1Cheng Bo2Zhang Guoxiang1
（1.Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute Ningbo 315048
（2.Yuyao Bureau of Market Supervision Administration Yuyao 315400）

Failure analysis was carried out to find out the causes of burst on water-cooled wall tubes elbow for circulating fluidized bed （CFB） boiler.Through macro-observation， chemical composition， macro structure， grain size and water quality investigation.The high pH value of boiler water at the fire-facing side of weld dense phase zone will lead to alkali concentration that will cause caustic corrosion.The residual stress in elbow in the strong alkaline environment that will cause caustic stress corrosion.Research results show that the tube failure is caused by both caustic corrosion and caustic stress corrosion.Strengthen water quality monitoring and elimination of stress treatment can effectively prevent the alkali corrosion and alkali stress corrosion.

Circulating fluidized bed boiler Water-cooled wall tubes Caustic corrosion Caustic stress corrosion Failure analysis

X933.2

B

1673-257X（2016）09-0056-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.09.014

薛东剑（1984～），男，本科，工程师，从事承压类特种设备检验检测工作。

（2016-05-04）