锅炉水冷壁管氢损伤爆管原因分析

董 鹏，陈 明，王文涛，王涛英

（华电电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

某电厂锅炉为超高压参数、四角切圆燃烧方式、自然循环汽包炉，单炉膛Π型布置，一次再热。最大连续蒸发量670t/h，过热蒸汽出口压力和温度为13.7MPa和540℃。锅炉在大修中更换了部分水冷壁管，运行四个月后，更换过的一根水冷壁管爆破泄漏。泄漏位置位于燃烧器上方约1.3m处。水冷壁管材质为20G，规格为ϕ60×6.5mm。

1 管样检验

1.1 宏观形貌观察

泄漏管爆口位于向火侧，处于管子中间，爆裂部分与基体完全脱离，呈窗口状，爆口边缘粗钝，管壁无明显减薄，管径无明显胀粗（如图1所示），呈现典型的脆性爆口特征。泄漏管内壁存在约0.3mm至0.6mm的黑色垢物，爆口附近的已剥落，向火侧较为粗糙，存在浅的条形凹槽和宏观裂纹，背火侧较为光滑无腐蚀。

图1 爆管宏观形貌Fig.1 Macro examination of failed tube

1.2 化学成分检测

对泄漏管进行化学成分定量分析，结果见表1。根据标准，泄漏管的各元素含量均符合标准要求。

表1 化学成分检测结果Tab.1 Chemical composition testing

1.3 力学性能检测

在泄漏管爆口附近的向火侧和背火侧各取两个试样进行拉伸试验，结果见表2。

试验结果表明，向火侧的强度和塑性明显低于背火侧。向火侧与背火侧相较，抗拉强度和屈服强度均降低约15%，断后伸长率降低48%，且向火侧的断后伸长率已低于标准值要求。

表2 力学性能检测结果Tab.2 Mechanical property testing

1.4 金相分析

将爆口处横向切断，在向火侧与背火侧的处分别取样，观察裂纹形貌与金相组织形态。如图2～图4所示。

由图2可见，向火侧截面存在大量裂纹，主裂纹在内壁萌生，向外壁扩展，但还未贯穿至外壁。主裂纹被大量小裂纹包围，但小裂纹非主裂纹的次生裂纹，两者之间未连接。有裂纹直接在管壁基体内生成，而未从管壁表面萌生。

图2 向火侧横截面（未腐蚀）50×Fig.2 Cross section of the fire side(before etching)

图3 向火侧组织Fig.3 Microstructure of the fire side

图4 背火侧组织Fig.4 Microstructure of the back side

将图2所示部位用侵蚀剂侵蚀，如图3所示。可以见到，裂纹均为沿晶型，部分晶粒间形成空洞，且无宏观裂纹的地方也有部分晶界开裂。裂纹周围珠光体组织大量减少甚至消失，是典型的珠光体脱碳现象。

背火侧组织为珠光体加铁素体，珠光体球化级别为1.5级，未发现裂纹、脱碳和其他异常组织，如图4所示。

2 原因分析及机理探讨

以上检验结果：“窗口”型脆性宏观爆口，向火侧管子的强度低于背火侧且其塑性（断后延伸率）较背火侧大幅降低，向火侧基体存在大量晶间裂纹并汇聚成宏观裂纹，晶间裂纹非由管壁表面萌生，裂纹附近珠光体明显脱碳，背火侧基体组织无异常等，均符合水冷壁氢损伤特征。[1]

正常的情况下，水冷壁会在酸洗钝化或与合格炉水反应后，在内壁生成一层致密的不溶性氧化膜，以保护不被腐蚀。若是新的水冷壁管，内壁还未生成保护性氧化膜，在遇到异常情况时，就可能会受到腐蚀或损伤。如炉水PH值较低，呈酸性的情况时，氢离子可以和未形成致密氧化膜的管壁直接接触，生成铁垢和氢气，如式（1），铁垢会在管壁上沉积。此时的氢是以氢气的状态存在，不会向管基体中扩散。在已生成保护性氧化膜的旧管中，短时间内酸性炉水不会对管子造成此种腐蚀。又如，在高温条件下，水与铁直接接触可以生成Fe3O4和原子态氢，如式（2）。当此反应发生在水冷壁管中，情况正常时原子态氢会被炉水带走，但若有阻隔，原子态氢会扩散进管子基体中，与渗碳体生成甲烷，如式（3）。

甲烷在生成的过程中会将碳原子夺走，致使周围组织脱碳，强度下降。同时高浓度处的碳和氢通过扩散不断补充，反应不断进行。甲烷生成后会聚集在晶界，随反应的进行，晶界的CH4量越来越多，压力也越来越高，使晶界裂开形成裂纹，塑、韧性下降。如此反复，直至管子无法承受内部压力而爆漏[2-5]。

大修后至泄漏前，四个月的运行期中，炉水pH值异常，最低至7.4，呈酸性环境。此段时间内，因爆漏的管是新管，还未生成完整的致密性氧化膜，所以会发生如式（1）的反应，生成的铁垢在管内壁上沉积，生成的氢因以气体的形式存在，不会向管基体中扩散。同时，管子爆漏位置处于燃烧器上方约1.3m处，是高热负荷区域，向火侧温度高。因泄漏管内壁无氧化膜的分隔，所以在向火侧发生如式（2）的反应，出现原子态氢。由于管内壁表面沉积物的阻碍，原子态氢无法顺利随汽水混合物流走，在内壁表面聚集，形成浓度梯度，向基体内扩散，与渗碳体生成甲烷如式（3）。随反应不断进行，管子基体中CH4聚集量不断增加，晶间裂纹越来越多，当无法承受管内压力时，发生脆性爆裂。背火侧，由于管壁温度较低，式（2）的反应无条件进行，式（3）的反应也不会发生，只发生了如式（1）的管壁腐蚀，所以除观察到管子内壁的沉积物，其他检验项目均未发现异常。

3 结论及建议

（1）此根水冷壁管爆漏是由于氢损伤造成，而氢损伤是由于以下情况造成：首先爆漏管是新管，内壁未生成致密的氧化保护膜，且一段时间内炉水呈酸性，将管子腐蚀，生成的铁垢在内壁表面沉积。其次爆漏区域热负荷高，新管在无氧化膜分隔的情况下，炉水与管壁直接接触、反应，生成原子态氢，原子态氢在沉积物的阻隔下无法顺利随汽水混合物流走，扩散进了管子基体中，与渗碳体生成甲烷，造成损伤。

（2）建议在水冷壁爆漏管同一区域取样检验，以排除管子，尤其是新管发生氢损伤的可能性。

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