关于水冷壁高热负荷区域腐蚀爆管的分析及预防研究

陈斌

摘要：分析了广州市××热电有限公司2号炉水冷壁爆管原因；通过对失效样品的几何尺寸测量、维氏硬度试验、拉伸试验、金相分析、内壁垢量测定、外壁氧化皮和内壁垢层能谱成分分析，得出爆管原因；根据原因分析，提出解决问题的应对措施。

关键词：自然热循环煤粉炉；水冷壁管；爆管分析；预防措施

1.背景情况及存在问题

广州市××热电有限公司2号炉为东方锅炉厂制造的DG420/9.8-Ⅱ2型、钢构架悬吊结构、单炉膛露天布置、平衡通风、四角切圆燃烧方式、固态排渣、100MW高温高压自然热循环煤粉炉，主要设计参数见表1、2号机组于2005年10月投产，至2016年9月份水冷壁爆管时累计运行约84000小时。

2#炉水冷壁由480根管组成，其中前后墙各127根，两侧墙各113根，规格为60×5mm，材料牌号为20G，水冷壁管内工质设计温度为320℃，设计压力为11.5Mpa，运行压力约11.2MPa，运行温度约320℃。抛机组至2016年9月28日水冷壁爆管时累计运行约84000小时，两次爆管的水冷壁管子为机组投产以来未更換过的管子，运行时间为2005年10月至今，运行约8.4万小时。

2号炉水冷壁于2016年9月28日发生爆管，爆管为炉后侧从B侧数第22根，位置为第1层吹灰器的第1个吹灰口下方约06米处，离燃烧口约3米，爆口上部5mm处存在一道厂家焊口。2016年10月23日，2#炉炉后侧水冷壁为炉后侧9，B侧数第15根，位置为第1层吹灰器的第1个吹灰口下方垂直距离约0.6米处，离燃烧口垂直距离约3米，爆口处于厂家焊口下方5mm处。水冷壁两次发生爆管的外观类型相似，处于厂家焊口处，同在一个水冷壁标高上，管子内壁焊缝处向火侧都存在明显结垢，2号炉凝汽器管材质为黄铜。为查明爆管的原因，广州市××热电有限公司委托××热工研究院有限公司对2号炉水冷壁爆管取样（样品在××热工研究院有限公司材料部编号为201667-1）进行失效分析。

2.爆管取样试验失效分析

2.1几何尺寸测量

管样的几何尺寸（外径和壁厚）测量结果如表2所示。由表2可以发现：管样爆口部位胀粗值6.30%，已超过DL/T438的规定；其他部位的外径未见胀粗。管样仅在爆口部位存在明显壁厚减薄，其他部位的壁厚未见减薄；爆口部位壁厚减薄值20.8%，尚未达到DL/T 939规定的上限值。

2.2维氏硬度试验

按照GB/T4340.1在HVS-50型维氏硬度机上对2个金相环样进行维氏硬度试验，试验载荷98N，保载时间10秒，结果见表3。由表可见：管样仅爆口部位的硬度明显较低，最低值为106HV，已低于DL/T438规定的下限值，其他部位的硬度值符合标准的规定。

2.3拉伸试验

按照GB/T 228在MTS810电液伺服试验机上对拉伸试样在室温下进行拉伸试验，结果见表4。由表可见：管样的规定塑性延伸强度、抗拉强度和断后伸长率符合GB5310对20G新管的规定，管样向火侧的各项拉伸性能指标均略低于其背火侧。

2.4金相分析

在管样爆口部位和远离爆口部位各制取1个金相环，在OLYMPUS GX71光学显微镜下进行金相分析，按照DL/T 674-1999金相球化评级，经过分析得出：

（1）爆口部位向火侧外壁存在氧化皮略厚，最厚为0.20mm；远离爆口部位向火侧外壁氧化皮较薄，为0.10mm。

（2）爆口部位向火侧内壁存在较厚垢层，最厚为1.0mm，振层中可见大量的亮黄色Cu颗粒；远离爆口部位向火侧内壁垢层较薄。

（3）爆口部位内外壁存在较多的沿壁厚方向发展的蠕变微裂纹和孔洞，显微组织中存在较多蠕变孔洞，珠光体球化5级；爆口部位背火侧及远离爆口向、背火侧的金相组织为铁素体加珠光体，珠光体未见球化，为1级。

2.5内壁垢量测定

在远离爆口部位制取垢量测量试样，按照DI/T 794-2012对管样内壁垢量进行测定，结果见表5。由表可见：管样向火面内壁垢量为332.0g/m²，尚未达到DL/T 794规定的需要化学清洗上限值。

2.6外壁氧化皮和内壁垢层能谱成分分析

用INCA-sight能谱仪（EDS）对爆口部位横截面外壁氧化皮和内壁垢层进行能谱成分分析，结果见表6，测试位置见图1。图1中，管样外壁氧化皮主要元素为铁和氧，还均存在少量腐蚀性元素硫及钙、硅、铝。管样内壁垢层主要元素为铁和氧，还存在铜、磷、镁，其中铜局部含量高达14.43%，磷高达15.64%。

3爆管基本特征及原因分析

3.1爆管类型

综合以上试验分析结果，锅炉水冷管爆管基本特征主要有一下几点。爆口位于管样向火侧，呈纵向开口，爆口张开较小，纵向长13.0mm，宽1.5mm；爆口附近内壁的焊口存在焊缝根部凸出现象，最高1.5mm，尚未达到DLff 869规定的上限值。

（1）爆口部位存在明显鼓包和外壁结渣，稍远离爆口外壁未见明显结渣；爆口部位外壁氧化皮金相截面最厚为02mm，其主要元素为铁和氧，还均存在少量腐蚀性元素硫及钙、硅、铝。

（2）爆口对应的内壁局部存在较厚的红褐色垢层，爆口部位内壁垢层金相截面最厚为1.0mm，垢层中可见大量的亮黄色铜颗粒；内壁垢层主要元素为铁和氧，还存在铜、磷、钙，其中铜局部含量高达14.43%，磷高达15.64%；稍远离爆口内壁未见明显垢层，其向火面内壁垢量为332.0g/m²，尚未达到DL/T 794规定的需要化学清洗上限值。

（3）爆口部位的硬度已低于DL/T438规定的下限值，其他部位的硬度值符合标准的规定；管样的规定塑性延伸强度、抗拉强度和断后伸长率符合标准的规定，管样向火侧的各项拉伸性能指标均略低于其背火侧。endprint