某电站锅炉水冷壁高温腐蚀分析

2020-11-06李家鲁王兆民刘新星

黑龙江电力 2020年3期

李家鲁，王兆民,刘新星,2，程义,2

(1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046；2.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室，哈尔滨 150046)

0 引言

电站锅炉运行过程中，水冷壁外侧是燃料燃烧所产生的高温烟气、内侧是高温高压的水和蒸汽，水冷壁材料的使用环境较恶劣，由高温腐蚀引起的爆管在电站锅炉水冷壁系统中出现频率较高，影响到锅炉运行的安全性与经济性[1-3]。对某服役约7 000 h 电站机组锅炉的水冷壁向火侧产生高温腐蚀的现象进行研究，主要对高温腐蚀的类型、形成机理及影响因素进行分析。水冷壁管子材质为SA-210C，规格为Φ63.5×6.6 MWT，扁钢材质为Q235A，规格为δ=6 mm。

1 理化检验

1.1宏观检验

通过观察现场水冷壁宏观形貌发现，水冷壁管子向火侧存在大面积的腐蚀产物及结渣，部分区域的腐蚀产物有脱落现象，如图1所示。

图1 现场水冷壁照片

在腐蚀区域割取样管进行观察，未发现明显的胀粗、变形现象，样管向火侧管壁有不同程度减薄，大体上可分为管壁中间区、迎烟区和背烟区，如图2所示。管壁中间区外表面未发现明显的腐蚀坑，迎烟区及背烟区分别位于管壁中间区的两侧，背烟区外表面存在明显腐蚀凹坑及凹槽，壁厚减薄程度较迎烟区严重。管子内表面没有明显的腐蚀现象，螺纹线完整无损坏。

图2 样管宏观形貌

1.2 几何尺寸测量

在样管上割取环状横截面试样进行壁厚尺寸测量，对比各个区域的壁厚减薄情况，测量位置如图3所示，测量结果见表1。

1.3 化学成分分析

在样管一端截取长约60 mm的管段，用OBLF QSN750型直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表2所示。

1.4 力学性能检测

在样管的背火侧取室温拉伸试样，采用DW-100型电子拉伸试验机进行室温拉伸试验，检测结果见表3。采用TH300洛氏硬度计对样管向火侧及背火侧横截面1/2壁厚处进行洛氏硬度试验，检测结果见表4。

图3 壁厚测量位置示意图

表1 壁厚测量结果

表2 样管化学成分

表3 样管力学性能

表4 样管硬度

1.5 金相组织分析

在样管上取环状金相试样。通过对试样进行粗磨、细磨、抛光后，采用4%硝酸酒精溶液腐蚀，采用AXIOVERT 200MAT光学金相显微镜分别观察样品显微组织，金相组织如图4、图5所示。检测结果表明，样管各位置母材金相组织均为铁素体+珠光体，晶粒度为9级，没有球化现象，晶粒较为均匀，各位置晶粒度相差不大，并未发现明显的过热迹象。

图4 样管向火侧显微组织

图5 样管背火侧显微组织

1.6 SEM/EDS分析

用Apollo 300型扫描电镜观察样管向火侧外表面形貌发现，向火侧外表面中间位置处残留腐蚀产物较厚，腐蚀产物外层为疏松层，呈蜂窝状，靠近管壁的腐蚀产物内层较致密，腐蚀产物的主要元素为为Fe、O，含有较高含量的S，其中疏松层的S含量高于致密层。扫描电镜观察结果如图6，能谱检测位置如图7、图8所示，图7、图8中横坐标表示发射电子能量值，纵坐标表示每秒每电子伏特的计数量，能谱检测软件根据各个峰的面积计算出各元素的占比，能谱检测结果见表5。

图6 样管向火侧腐蚀物

图7 腐蚀物检测位置和衍射图(疏松层)

图8 腐蚀物检测位置和衍射图(致密处)

表5 样管向火侧腐蚀物能谱

2 试验结果分析

1) 由试验结果可知，样管化学成分、力学性能均满足ASME SA-210/SA-210M《锅炉和过热器用无缝中碳钢管子》标准对SA-210C的要求，金相组织符合ASME SA-210C钢种的特征，表明样管所代表的原材料理化性能满足ASME SA-210M标准的规定。样管各位置母材的金相组织没有球化现象，并未发现明显的过热迹象。

2) 根据样管横截面宏观观察和壁厚测定可知，样管向火侧背烟区壁厚减薄较严重，迎烟区次之，中间区壁厚未发生明显减薄。

3) 通过对样管向火侧腐蚀产物进行电镜观察及能谱分析可知，腐蚀物外层较疏松，内层致密。外层疏松产物呈蜂窝状，主要元素为Fe、O，S含量高达13.76%，并且有一定量的Si、Al、Ca等元素，判断其为外部积灰层，积灰中的硫以硫酸盐的状态存在。靠近管壁处的致密层主要元素为Fe、O、S，判断其主要为铁的氧化物与硫化物。

煤粉的燃烧并不完全是一个稳定的过程，在不同的时刻炉内的气氛是不同的。当某一位置在某一时段还原性气氛较强时，管壁附近的H2S和SO2反应会生成自由的硫原子，在金属表面致密的氧化膜被破坏的情况下，S将直接与Fe反应，Fe+S→FeS，从而加速管壁的腐蚀，反应不断地进行，管壁就不断发生减薄[4-5]。因此，判断样管外表面发生明显腐蚀减薄的主要原因是向火侧两侧区域结渣严重，且附着层内富集硫酸盐等腐蚀介质，使该区域发生硫酸盐类腐蚀，导致壁厚发生明显减薄。