某热电厂水冷壁管泄漏失效分析

赵 月，常 青，胡 杰*，张艳森，李 渊，郎惠珍，矫延林，陈 骞，郑相锋，王 平，李欣芮

(1.国能锅炉压力容器检验有限公司，北京 102200；2.西南石油大学新能源与材料学院，四川 成都 610500；3.国家管网集团西南管道有限责任公司兰成渝输油分公司，四川 成都 610500)

1 引言

作为人类发展进步中不可或缺的一部分，能源的发展以及使用深刻地影响着人类的未来[1-2]。电力作为一种稳定的二次能源，它的发展已经在当今社会中无可替代[3]。随着我国生产建设和经济发展的进一步提速，电能的需求也是逐渐增加[4]。近些年，光伏、风力以及水力发电等方式在全球范围内得到迅猛发展，但由于新能源发电技术存在不稳定、受环境制约性较强以及转化率不高等缺点，短期内，电力行业中占比较大的依然是火力发电[5-8]。

火力发电自建国以来，一直属于我国发电总量的第一梯队，有着绝对的优势。这是由于火力发电站的选址较为灵活，可以有效的降低电网输配电损耗；火力发电站的运行较为平稳可靠；火力发电站机组受环境和气候等不利因素的影响较小，是一种可以作为我国电力供应的可靠发电方式[9-12]。火电厂的发电是利用可燃物在燃烧时产生的热能，通过发电动力装置转换成电能，因此，只要有燃煤的储备，火力发电便是一种可连续作定额输出的发电方[13]。然而，火力发电也依然存在着资源利用率低、机组运行成本高和能源浪费严重等问题[14]。

火电机组作为调峰电源与新能源等电源相比，具有较好的调峰性能，因此预计火电机组在未来几年持续性低负荷运行或者深度调峰将成为常态。由此，我国推出各类调峰政策鼓励燃煤电厂积极参与电网调峰。现役火电机组为应对日益严重的产能过剩、年发电可利用小时数下降、煤炭价格持续走高、可再生能源装机规模迅速扩大电力市场改革的逐步深化等形势，机组调峰满足电网要求将成为新常态[15-17]。然而，伴随着火电厂机组深度调峰成为新常态，发电机组安全性和稳定性的问题也开始出现。车永强等[18]通过对某电厂调峰后汽机侧设备的运行状况进行研究，发现最小流量阀内漏、3号高压加热器疏水不畅、6号低压加热器水位波动、小机排汽温度高、给水泵密封性能差以及供热受限制等问题。沈利等[19]通过对某超临界大容量火电机组在深度调峰下锅炉的运行状态进行了研究，发现锅炉燃烧稳定性变差、氧化皮生成与剥落的速率变快以及管壁受热不均匀且易超温等问题。

本文就某电厂水冷壁管发生爆管进行了相关分析，进一步证明了在深度调峰背景下，锅炉水质对发电机组设备的安全运行起着重要作用，为火电机组参与到常态化调峰背景下电厂对锅炉水质进行严格监督提供了依据。

2 研究方法

2.1 宏观检验

2.2 化学成分分析

使用Compact port便携式直读光谱分析仪对水冷壁管管材进行化学成分分析。

2.3 金相组织检验

本论文中涉及到的金相分析，试样均是经过#180、#400、#600、#800金相砂纸打磨，用粒度2.5μm的抛光喷雾进行抛光。抛光后腐蚀用的是4%的硝酸酒精溶液。金相分析采用的是德国蔡司公司生产的AxioObserver.Z1m型倒置式金相显微镜。

2.4 力学性能测试

常温力学性能试验根据标准DL/T2220-2021《电站金属材料力学性能仪器化压痕法检测技术规程》，采用AIS3000 Compact便携式万能力学性能检测仪。便携式力学性能检测仪通过在材料同一个位置连续下压测量出的载荷和深度绘制成载荷-深度曲线，真实应力值和应变值通过数学理论公式由载荷和深度计算而来。在压头下压的过程中材料会在压痕区域产生弹塑性变形，屈服强度可以从应力-应变曲线上弹性线与塑性曲线的交点计算得出，利用张力不稳定的理论计算得出抗拉强度。

2.5 扫描电镜以及能谱测试

取样管内表面积垢和腐蚀产物的形貌观察和产物定性分析用的是德国蔡司生产的EVO 18扫描电子显微镜及其附带的能谱仪。

2.6 腐蚀产物相成分测试

通过DX-2700B型X射线衍射仪(扫描角度2θ为10°～80°，扫描进步角为0.04°/s)对#1试样表面腐蚀产物成分相组成进行检测。

3 结果与讨论

3.1 宏观检验

图1为水冷壁管爆口处的宏观图片。爆口位于水冷壁管向火面，开口不大，断裂面粗糙，爆口边缘为粗糙钝边，没有明显宏观塑性变形及鼓胀等变形。

图1 水冷壁管Fig.1 Water wall tube

按照图中标记位置进行切割取样，取样编号分别为#1、#2。#1、#2试样向火面内壁覆盖着大量腐蚀产物及结垢，如图2所示，腐蚀产物表层呈褐红色，内层呈灰黑色，局部已被破坏或脱落。这种表层为褐色，内部为黑色或灰色的氧化铁垢，主要成分是铁的氧化物。炉水中的氧化铁是带正电荷的胶体粒子，水冷壁管内表面在高热负荷作用下带负电荷，所以带正电荷的氧化铁会向高热负荷区集聚，形成氧化铁垢[20]。对#1、#2试样进行厚度测量，结果显示#1试样爆口附近(向火面)最小厚度为3.9mm，爆口对侧(背火面)厚度为5.79mm，管径均有不同程度减薄。#2试样存在腐蚀产物位置(向火面)剩余壁厚为5.29mm，无腐蚀产物位置(背火面)壁厚为6.03mm。

观察组患者临床疗效为95.56%（43/45），高于对照组患者73.33%（33/45），差异具有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

图2 试样内壁形貌Fig.2 Inner wall morphology of the sample

3.2 化学成分分析

水冷壁管管材化学成分分析结果如表1所示。结果表明水冷壁管的化学成分符合《高压锅炉用无缝钢管》(GB/T5310-2017)对20G钢的要求。

表1 水冷壁管化学成分(质量分数%)Tab.1 Chemical composition of water wall tube (mass fraction %)

3.3 金相组织

为了从微观角度分析材料的损伤原因，对水冷壁管爆管管段及存在裂纹处进行了切割取样。在经过对试样的打磨、抛光和腐蚀后，分别对试样#1和#2进行金相组织的检验，金相组织分析结果如图3、图4所示。

图3为#1试样金相组织照片。如图3(a)、3(b)所示，#1试样爆口处(向火面)存在裂纹，沿晶界开裂。放大倍数后观察发现裂纹附近存在多处微裂纹，微裂纹附近明显有脱碳现象。部分微裂纹如图中箭头所示。经观察，试样内壁存在腐蚀情况，向火面内壁腐蚀较为严重(见图3(c))，严重位置腐蚀产物厚度约为1.243mm，管子内壁开裂，裂纹长度约为0.926mm，裂纹尖端存在多条微裂纹，微裂纹附近有明显脱碳现象。由图3(d)、3(e)所示#1试样向火面爆口附近未爆开处及外壁金相组织均为铁素体+珠光体，金相组织未见明显异常。由图3(f)、3(g)所示，#1试样背火面金相组织为铁素体+珠光体，金相组织正常内、外壁均无明显腐蚀现象。

图3 #1试样金相组织Fig.3 Metallographic structure of sample #1

图4为#2试样金相组织照片。如图4(a)所示#2试样内壁存在腐蚀情况，向火面内壁腐蚀较为严重，严重位置腐蚀产物厚度约为3.235mm，管子内壁开裂，裂纹深度约为2.531mm，裂纹经倍数放大后，如图4(b)所示，裂纹沿晶界开裂，脱碳现象不明显。如图4(d)、4(e)所示，#2试样向火面、背火面金相组织均为铁素体+珠光体，金相组织正常。如图4(f)所示，#2试样背火面内壁存在腐蚀坑，但腐蚀坑深度较浅。如图4(c)、4(g)所示，#2试样向火面、背火面外壁金相组织均为铁素体+珠光体，金相组织正常，外壁无明显腐蚀现象。

图4 #2试样金相组织Fig.4 Metallographic structure of sample #2

3.4 力学性能

采用便携式力学性能检测仪对水冷壁管#1试样背火面、向火面进行分别进行常温力学性能试验。实验结果结果如表2所示，根据标准GB5310-2017要求，所检试样抗拉强度和屈服强度(规定非比例延伸强度)均满足标准要求，但向火面力学性能低于背火面，这是由于向火面管材受氢腐蚀影响产生微裂纹，降低了其力学性能。

表2 常温拉伸性能Tab.2 Tensile properties at room temperature

3.5 扫描电镜以及能谱

图5是对#1试样腐蚀位置的SEM图。从图中可以明显看出，试样表面存在明显的腐蚀产物。对腐蚀产物主要成分进行扫描能谱分析图如图所示。

图5 试样表面形貌和腐蚀产物EDS图谱 Fig.5 Sample surface morphology and EDS spectrum of corrosion products

从图中可以明显看出，腐蚀产物的主要成分为O、Si、Mn、Fe，主要成分的含量如表所示。腐蚀产物主要为铁的氧化物，根据腐蚀产物颜色推断腐蚀产物为Fe2O3和Fe3O4。

3.6 腐蚀产物相组成

图6为#1试样表面腐蚀产物的X射线衍射图谱。从图谱中可以清楚地看出，腐蚀产物主要由Fe2O3和Fe3O4相组成。由于Mn和Si含量相对较少，因此在XRD图谱中没有明显的相关衍射峰。这也进一步证实了对#1试样表面腐蚀产物的推断。

图6 腐蚀产物XRD图谱Fig.6 XRD pattern of corrosion products

3.7 腐蚀机理分析

从爆口处宏观形貌、金相组织和腐蚀产物成分分析可以得知，该电厂的此次爆管是由于发生了氢腐蚀而导致的脆性断裂形式。

锅炉在正常参数下运行时，水冷壁管内表面会形成一层Fe3O4保护膜，从而使得水冷壁管不会受到严重的腐蚀，其过程如下列方程式所示[21]：

3Fe+4OH-→ Fe3O4+4H+4e

(1)

在深度调峰的背景下，一方面，水冷壁管内形成的Fe3O4保护膜容易脱落，使得管内壁更容易出现腐蚀现象；另一方面，发电机组常在低负荷状态下运行，除氧器的压力和温度不能维持在正常控制值，即会导致除氧水的溶解氧超标[22-23]。综上所述，水冷壁管内壁因存在含氧量高的炉水而出现垢下腐蚀，水冷壁管内表面金属物质沉积，腐蚀介质的流动受阻，垢层以下金属形成闭塞原电池腐蚀现象，从而导致炉管腐蚀穿孔并电解产生氢[21,24-25]。阳极在上述环境下进一步发展，垢下的水冷壁管表面作为阳极被腐蚀，其过程如下列方程式所示[26-27]：

Fe→Fe2++2e

(2)

2H++2e→2H

(3)

由氢扩散而形成的氢分子与钢中的渗碳体反应生成甲烷气体，使得水冷壁管出现脱碳现象，其过程如方程式所示[28]：

2H2+Fe3C→3Fe+CH4

(4)

因为氢气和甲烷分子体积均比较大，无法向外扩散，导致水冷壁管局部承受较大压力，导致水冷壁管局部产生裂纹，造成严重的氢腐蚀，氢腐蚀是一种不可逆的脆性失效形式，因此，进一步的，在此条件下，水冷壁管发生爆管[29-30]。

4 结论

(1)本次水冷壁爆管爆口处开口不大，断裂面粗糙，爆口边缘是钝边，管径有不同程度减薄，试样内壁存在大量腐蚀产物，并可观察到多条裂纹。进一步观察发现水冷壁管内壁存在裂纹，最大深度为2.531mm并沿晶界向外扩展。裂纹周边存在大量微裂纹，且具有明显脱碳现象，符合氢腐蚀特征。

(2)在深度调峰背景下，发电机组常在低负荷状态下运行，除氧器的压力和温度不能维持在正常控制值，即会导致除氧水的溶解氧超标，炉水中含氧量增加导致了水冷壁管发生明显的垢下腐蚀。水冷壁管内表面由于垢下腐蚀导致金属物质沉积，腐蚀介质的流动受阻，垢层以下金属形成闭塞原电池腐蚀现象，由此电解产生的氢分子与钢中的渗碳体反应生成甲烷气体，由于氢分子和甲烷分子体积均较大，无法向外扩散，导致水冷壁管局部承受压力较大，从而出现裂纹，最终导致水冷壁管出现脆性开裂，发生垢下氢腐蚀爆管。

因垢下氢腐蚀损伤的不可逆性，为避免此类事故进一步发生，提出以下建议：

(1)在深度调峰的大背景下，火电厂应严格控制锅炉用水的质量。严格按《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》(GB/T12145-2016)进行炉水指标化学监督。

(2)对水冷壁管设置监察段，检修时割管取样进行金相组织、垢量、垢样成分分析，监督水冷壁管的结垢腐蚀变化情况，适时进行酸洗除垢，做好各项防范措施。