某水电厂锅炉水冷壁管泄漏的原因

付洋洋

(上海材料研究所, 上海 200437)

充足的电力生产是国民经济发展的主要保证。我国炭资源丰富，长期以来从火力发电为主，使得火力发电对于电力生产尤为重要。锅炉作为火力发电厂的三大机组之一，其安全性和稳定性对电力生产的影响极大[1]。水冷壁管由许多并联的管子组合形成蒸发受热面，一般安装在锅炉炉膛内壁。水冷壁管的主要作用是吸收炉膛中高温火焰或烟气的辐射热量，通过热传导使管内的水产生蒸气或变成热水，以此来降低炉墙的温度，达到保护炉墙的目的[2]。某水电厂锅炉水冷壁管发生泄漏，其材料为20G钢，管外部由浇注料覆盖，管内部为除盐水，温度约为280 ℃，自然水循环，外部环境为1 000 ℃的高温烟气，水冷壁管采用竖直安装，该次泄漏为二次泄漏，管道发生泄漏的位置为向火面，水冷壁管的宏观形貌见图1a)，浇注料墙体宏观形貌见图1b)。笔者通过宏观观察、化学成分分析、 扫描电镜分析、能谱分析以及显微组织观察，对水冷壁管泄漏的原因进行分析。

图1 泄露水冷壁管和浇注料墙体的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of leaking water wall tubea) and castable wall b)

1 理化检验

1.1 宏观观察

水冷壁管泄漏点处的宏观形貌见图2a)，可见泄漏点位于销钉附近的管壁凹陷处，该区域附近呈深灰色。通过机械加工方法截取泄漏点处试样，其内壁的宏观形貌见图2b)。对试样侧面进行观察，外壁可见凹陷，内壁未见异常，管壁整体发生减薄，见图2c)。

图2 水冷壁管泄漏点处的宏观形貌Fig.2 Macro morphology of leakage point of water wall tube:a) outer wall; b) inner wall; c) side

1.2 化学成分分析

从泄漏水冷壁管上截取试样进行化学成分分析，结果见表1。由表1可见，水冷壁管的化学成分符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》的技术要求。

表1 泄漏水冷壁管的化学成分Tab.1 Chemical compositions of leaking water wall tube

1.3 扫描电镜及能谱分析

在水冷壁管泄漏点处截取试样，经镶嵌、磨抛后在显微镜下观察，泄漏点处的微观形貌见图3a)，从形貌可判断其穿孔是从管道外壁向内壁扩展。进一步放大外壁处，可见其表面存在腐蚀产物，见图3b)。对腐蚀产物进行能谱分析，结果见图4，检测到有较高含量的硫和氯等腐蚀性元素，以及钠、镁、钾和钙等元素。判定是由硫和氯元素引发电化学反应从而使材料发生腐蚀，从而穿孔的[3]。

图3 水冷壁管泄漏点处和外壁处的微观形貌Fig.3 Micro morphology of leakage point a) and outer wall b) of water wall tube

图4 水冷壁管泄漏点外壁处腐蚀产物的微观形貌及能谱分析结果Fig.4 Micro morphology a) and energy spectrum analysis results b) of corrosion products on outer wall of leakage point of water wall tube

1.4 显微组织观察

在水冷壁管泄漏点外壁处截取试样，经镶嵌、磨抛及浸蚀后进行显微组织观察。由图5可见，管外壁可见明显的减薄区域，放大观察泄漏点处，显微组织为铁素体+珠光体，组织未见变形[4]，见图5b)，说明管壁没有发生塑性变形。

图5 水冷壁管泄漏点外壁处的显微组织Fig.5 Microstructure at outer wall of leakage point of water wall tube:a) low magnification; b) high magnification

2 结果与讨论

水冷壁管的化学成分符合相关标准的要求。通过宏观观察可知，管道泄漏点外壁处可见凹陷，内壁未见异常，管壁整体明显减薄，水冷壁管泄漏点处的显微组织为铁素体+珠光体。

泄漏发生在水冷壁管的向火面，该墙面向1 000 ℃左右的高温烟气，其成分较为复杂，含有腐蚀性介质。一般情况下，浇注料形成的墙体能隔绝这些介质，保护水冷壁管不受其腐蚀。从图1b)可以看出，浇注料形成的墙体表面存在龟裂、缝隙以及白色异物渗出，说明墙体致密性较差，高温烟气易渗入墙体内部，销钉位置处的墙体最为薄弱，烟气最先在销钉位置渗入墙体内部与水冷壁管外壁接触，由于高温烟气内含有较高的硫、氯等腐蚀性元素，且水冷壁管的局部热负荷过高，腐蚀性低熔点化合物黏附于管道表面，导致销钉周围位置处优先发生腐蚀，腐蚀区域的覆盖物和烟气的还原性气氛有利于低熔点化合物的形成及扩散，使腐蚀反应持续进行，壁温升高，烟气直接冲刷，这会促进腐蚀反应的进行，受热面管道内壁有沉积物时，会使管壁温度升高，加速腐蚀，从而导致管壁减薄，最终发生泄漏。

3 结论

水冷壁管发生泄漏的原因是高温烟气中的腐蚀性介质渗入墙体内部，导致水冷壁管发生腐蚀，管壁先发生减薄，最终穿透发生泄漏。