亚临界锅炉水冷壁管局部减薄原因分析

李宪爽， 高成龙, 王 硕,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)

锅炉水冷壁失效在锅炉运行过程中时有发生，作为锅炉的主要受热面，发生减薄甚至爆管等失效现象将严重影响锅炉的安全运行。某电厂300 MW亚临界一次中间再热、自然循环汽包炉，采用平衡通风、直流式燃烧器、四角切圆燃烧方式，燃用烟煤。锅炉的最大连续蒸发量(BMCR)为1 056 t/h，主蒸汽压力为17.53 MPa、温度为540 ℃。运行约2.6万h后检查发现，燃烧器上方水冷壁管向火侧存在不同程度壁厚减薄及腐蚀物附着现象，标高29 m左右的2号、3号角主燃烧器间左数第18～20根水冷壁管区域最严重。该区域水冷壁管为内螺纹管，材质为SA-210MGr.C，管子直径为63.5 mm、壁厚为6.6 mm。为研究该锅炉水冷壁管减薄原因，对该区域水冷壁管进行了取样分析。

1 试验分析

1.1 宏观分析

对取样管进行宏观形貌观察，结果见图1。由图1可以看出：取样管未发生明显胀粗及变形，向火侧外表面存在明显结焦及附着物附着情况。取样管向火侧管壁为不均匀减薄，具有一定方向性，可分为管壁中间区、迎烟区和背烟区3个区域。迎烟区和背烟区壁厚均明显减薄，但背烟区减薄更加明显，表面结焦现象更加严重，附着物厚度更厚。取样管管壁中间区壁厚减薄情况略好于迎烟区，外表面整体仍保持圆弧状形貌。背火侧外表面无明显腐蚀现象。取样管的内表面光滑无明显腐蚀现象，且内径仍为规则圆形。取样管向火侧管壁减薄最严重位置壁厚仅为3.80 mm，减薄量达原壁厚的40%左右。取样管外径随向火侧壁厚减薄量的增加而减小。初步判断向火侧壁厚减薄是由腐蚀所致。

图1 样管宏观形貌

1.2 化学成分分析

采用OBLF QSN750直读光谱仪，对取样管进行化学成分分析试验，分析结果见表1。

表1 管子化学成分 %

由表1可以看出：管子化学成分符合ASME SA-210M—2019 《锅炉和过热器用无缝中碳钢管子》对SA-210MGr.C管材的规定。

1.3 硬度检测试验

采用TH300非便携式洛氏硬度计，进行取样管的硬度检测试验，该硬度检测试验在管子的横截面上进行，因此管子外表面的附着物对检测过程没有影响，分析结果见表2。

表2 样管硬度检测结果

由表2可以看出：管子硬度符合ASME SA-210M—2019对SA-210MGr.C管材的规定。

1.4 金相检验

对管子截面试样进行粗磨、细磨、抛光后，采用硝酸质量分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，采用AXIOVERT 200MAT金相显微镜，进行取样管微观组织观察(见图2、图3)。由图2、图3可以看出：取样管各位置母材金相组织均为铁素体+珠光体，没有球化现象，晶粒较为均匀，约为8.0级，各位置晶粒度相差不大，并未发现异常或明显的过热组织，向火侧外表面残留腐蚀附着物最厚可达273 μm。

图2 取样管显微组织

图3 取样管向火侧腐蚀层厚度

1.5 扫描电镜(SEM)/能谱分析仪(EDS)分析

采用Apollo300 SEM和QUANTAX EDS对取样管外壁腐蚀产物形貌进行分析观察。

图4和图5为附着物内表面(与水冷壁管壁接触侧)及附着物外表面(与烟气接触侧)的EDS分析结果。

图4 腐蚀物内表面EDS分析结果

图5 腐蚀物外表面EDS分析结果

由图4、图5可以看出：取样管向火侧外表面附着物较厚，附着物外层结构较疏松，呈蜂窝状，靠近管壁处附着物较致密。附着物的化学成分主要为铁、氧及硫元素，并含有一定量的钠、硅、铝元素，以及少量的钙和镁等元素。

2 讨论与分析

2.1 试验结果分析

由宏观观察及试验分析结果可知，取样管的化学成分、硬度符合ASME SA-210M—2019对SA-210MGr.C管材的规定。取样管各位置母材的金相组织符合SA-210MGr.C管材的特征。取样管未发生明显的形变，取样管向火侧呈现与烟气走向有关的不均匀减薄。取样管外径随向火侧壁厚减薄量的增加而减小，判断向火侧壁厚减薄为腐蚀所致。取样管向火侧外表面附着物外层呈较疏松的蜂窝状结构，判断其主要为铁的氧化物与硫化物。取样管内层附着物则结构较致密，判断其主要成分为硫酸盐。通过腐蚀产物判断取样管管壁向火侧发生的腐蚀形式为高温硫腐蚀。

2.2 腐蚀原因分析

煤粉锅炉中烟气侧水冷壁由于高温氧化作用会形成三层连续保护膜(由外向内依次为氧化铁、四氧化三铁、氧化亚铁)[1]，保护膜的存在会对水冷壁管壁起到一定的保护作用，但高温环境下水冷壁仍频繁发生硫腐蚀现象，主要包括硫单质腐蚀、硫化物腐蚀及硫酸盐腐蚀等类型[2]。

另外，煤粉锅炉水冷壁向火侧结渣过程与烟气流动及温度分布有密切关系，烟气流动时会在水冷壁管子的背烟区域形成漩涡区，该区域不易受到大直径灰粒的冲刷，有利于积灰层的增长及熔融状态的煤灰颗粒的附着。因此，积灰及结渣会先在水冷壁管子背烟区发生，并逐步聚集至管子外壁中间区、迎烟区，最后与另一根管子的背烟区附着物相连。高温作用下附着物快速烧结和结焦，致使吹灰器清除困难。因此，形成了水冷壁管子向火侧外壁迎烟区、中间区及背烟区腐蚀程度不同的现象。

取样管向火侧腐蚀为不均匀腐蚀，判断取样管外表面发生腐蚀、管壁减薄的主要原因是向火侧两侧区域结渣严重，且附着层内富集大量硫化物及硫酸盐等腐蚀介质，使该区域发生腐蚀。此外，取样管位于燃烧器附近的角部区域，该区域易处于还原气氛，会导致灰熔点温度下降和灰沉积过程加快，并产生腐蚀性的自由硫原子，进而加快腐蚀和结焦。

3 结语

该锅炉水冷壁SA-210MGr.C取样管局部减薄的主要原因为烟气中的碱金属和硫化物反应形成的碱金属硫酸盐与烟气中的灰分及熔融态煤灰颗粒黏结，形成水冷壁管子外表面富含硫酸盐的结焦附着物，附着物及煤粉内黄铁矿受热分解出的自由硫原子与管壁外层保护膜及基体发生了一系列的腐蚀反应，造成了管壁严重的高温硫腐蚀，导致水冷壁向火侧外壁不断减薄。目前，尚未发现有效避免水冷壁外壁高温硫腐蚀的措施，但是可以通过提高用煤品质、调整锅炉燃烧方式或涂刷耐高温材料等方式延缓或减轻发生高温硫腐蚀给锅炉水冷壁带来的危害。