亚临界锅炉水冷壁管腐蚀机理研究

周公文*

（泰安市特种设备检验研究院）

0 前言

某燃煤电厂亚临界锅炉停机检修时，发现水冷壁管向火侧外表面存在大面积结焦，去除结焦层后发现管壁出现明显减薄现象，现场测量该管道的最小壁厚仅为3.2 mm。该水冷壁管规格为 45 mm×5.4 mm（内螺纹管），材质为20G，设计温度为369 ℃，设计压力为21 MPa。锅炉投产后又进行了低氮燃烧器改造，改造前水冷壁管未发生明显减薄现象。低氮燃烧器改造的原理是将燃料方式在锅炉内集中燃烧改为双尺度分级燃烧，从而降低锅炉出口的NOx排放量。在低氮燃烧器改造完成之后，锅炉内大量投用了高硫煤，通过该次检修发现，锅炉水冷壁管发生了严重的减薄现象。

本文对减薄的水冷壁管进行理化分析检验，通过化学成分分析、机械性能试验、强度计算和金相组织分析，找出引起水冷壁管发生严重减薄的主要原因，并给出了相应的改进建议。

1 试验过程和试验仪器

对减薄的水冷壁管进行了宏观检查并对其运行状态进行了强度计算。通过采用X 射线荧光光谱分析测试水冷壁管表面腐蚀层的化学成分。取减薄严重处水冷壁管镶嵌金相试样，经磨制抛光后，采用4%（质量分数）硝酸酒精溶液腐蚀，采用Carl Zeiss Axio Observer A1m 型金相显微镜观测水冷壁管的金相组织形态。在水冷壁管向火面和背火面上各取一个拉伸试样，试样规格尺寸应按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1 部分：室温试验方法》标准规定，在材料万能试验机上检验材料的拉伸性能。利用HBE-3000A 布氏硬度计，在金相试样上进行宏观布氏硬度检验。

2 试验结果和讨论

2.1 宏观检查

图1 为外表面减薄严重的水冷壁管宏观形貌。从图1 中可见，水冷壁管表面存在大面积腐蚀现象，大部分腐蚀产物层脱落，导致管壁严重减薄。

图1 腐蚀严重的水冷壁管宏观形貌

2.2 强度计算

该水冷壁管的设计温度为369 ℃，设计压力为21 MPa，依据GB/T 16507.4—2013 《水管锅炉 第4 部分:受压元件强度计算》中的计算公式对管道最小需要厚度进行计算：

式中：δmin——最小需要壁厚；

δt——管子计算厚度；

C1——腐蚀裕量，取0.5 mm；

p——计算压力，取21 MPa；

D0——管子外径，取45 mm；

φmin——最小减弱系数，取1；

[σ] ——许用应力，20G 材料在400 ℃时持久强度平均值为128 MPa。

根据式（1）计算可得管道的最小需要壁厚应为3.9 mm。

强度计算结果显示：最小需要壁厚为3.9 mm，大于实测最小壁厚3.2 mm，该水冷壁管计算强度不满足设计要求。

2.3 表面覆层成分分析

表1 为水冷壁管表面腐蚀产物的化学成分，检验结果表明水冷壁管外表面腐蚀产物主要为硫化物。

表1 水冷壁管表面腐蚀产物化学成分

2.4 金相检验

图2 为水冷壁管母材及外壁的金相组织形貌。显微组织检验表明，管道金相组织为铁素体+珠光体，晶粒度为8 级，显微组织中碳化物开始分散，珠光体区域完整，球化级别为2 级，腐蚀产物下管道外壁表面平整，少量区域存在深度较浅、底部圆滑的凹坑，未见裂纹及孔洞型表面缺陷，表明管道表面腐蚀为均匀腐蚀。

2.5 力学性能检测

表2 是水冷壁管力学性能表，1 号和2 号分别为水冷壁管向火面试样和背火面试样。检验结果表明，水冷壁管的力学性能符合20G 材料的标准要求。

2.6 结果分析与讨论

该水冷壁管外表面发生了严重腐蚀现象，根据X射线荧光光谱分析可知，腐蚀产物主要为硫化物，高硫煤在锅炉中燃烧，使水冷壁管发生高温硫腐蚀[1-2]，导致管壁减薄严重。通过运行状态强度计算得出水冷壁管运行时所需最小需要壁厚大于实测最小壁厚，该水冷壁管强度已不满足锅炉安全运行条件，存在安全隐患。

图2 水冷壁管的金相组织形貌

3 结论

该燃煤电厂的低氮燃烧器改造将燃料在锅炉内的燃烧方式从集中燃烧改为双尺度分级燃烧，燃烧方式改变后造成主燃烧区含氧量偏低，炉膛内还原性气氛浓度升高，水冷壁管向火侧处于严重缺风状态，导致一次风所带煤粉冲刷水冷壁，由于向火侧一次风气流距离水冷壁较近，温度较高，造就了易产生高温腐蚀的外部环境。在低氮燃烧器改造后，主燃烧区氧含量偏低，使得水冷壁管表面结焦，促进高温腐蚀，而实际入炉煤的硫含量偏高是加剧水冷壁管发生高温硫腐蚀的主要原因。该水冷壁管表面存在严重硫腐蚀，这是由锅炉投入高硫煤作为燃料导致的，硫腐蚀使管壁减薄加速，使得水冷壁管计算强度不满足设计要求。

表2 水冷壁管的力学性能

建议更换剩余壁厚小于4.2 mm 的管道，并严格控制入炉煤中硫的含量；对存在高温腐蚀的水冷壁区域进行防腐喷涂或添加陶瓷涂层处理[3]；或开展低氮燃烧器的技术改造，优化燃烧调整，降低炉膛还原性气氛浓度。