电站锅炉水冷壁管的泄漏原因及应对措施研究

赵文宇

（中国石油大庆石化公司热电厂锅炉车间 163714）

从电站的运行经验来看，造成电站非计划停机的主要原因是四管泄漏，超过事故总数的一半以上。四管泄漏严重威胁机组安全，造成资源的浪费，历来被电厂所重视。作为锅炉的关键部件，水冷壁管一旦发生失效，将会严重威胁锅炉运行安全，国内外已经开展了较为深入的研究，水冷壁管的泄漏形式主要有烟气侧腐蚀和水汽侧腐蚀2种，腐蚀发生后会随着时间的增长而扩大，假如放任腐蚀继续发展，就会造成水冷壁管失效 。

本文以某电厂030/17.5-YM9型号的600MW机组所使用的锅炉为例，该锅炉的蒸发量为1762t/h。水冷壁管形式为内螺纹管，在长期的运行过后，近期经常发生泄漏，本文将分析其泄漏原因，找到导致水冷壁管腐蚀的诱因，探索其失效机理，有针对性地提出相应措施，保障机组的运行安全，为其他水冷壁管失效问题提供借鉴。

1 试验

经检查，水冷壁管的泄漏位置为右侧第八根，泄漏处呈现明显的横向裂纹，并在漏点上方因高温产生爆管，尺寸为φ51mm×5.6mm，该水冷壁由20碳素结构钢制成，已累计运行9.7万h。如图1所示，水冷壁管泄漏处存在轻微结焦，裂纹长度10mm，但无明显变形，这些裂纹均处于向火侧。

图1 水冷壁管泄漏处

采用专用工具将上图1的水冷壁管纵向剖开发现管内壁残留黑灰色垢层，并可见贯通的横向裂纹，如图2所示。

图2 水冷壁管泄漏处内壁

采用超声清洗的方法清除管壁污垢后发现大量枝状裂纹，如图3所示，这些裂纹主要位于螺纹边缘，且处于向火侧，背火侧只存在一些点蚀而无裂纹，但这些点石依然位于螺纹边缘。

图3 水冷壁管裂纹与点蚀

如图4所示，失效部分的水冷壁管的壁厚无明显变化，向火侧呈现出由内壁向外壁延伸的腐蚀结构，深度达到管壁厚度的一半，并开始出现横向扩展。

图4 失效部分水冷壁管的横截面

采用进口光谱仪分析水冷壁管的化学成分，结果显示，该水冷壁管完全符合国家相关技术文件的要求。再利用金相显微镜分析其组织结构，如图5所示，该水冷壁管的显微组织为铁素体+珠光体，均符合国家相关要求，对于运行了9.6万小时的水冷壁管而言，珠光体球化等级符合水冷壁管运行经验，且向火侧与背火侧的组织结构相同。

图5 水冷壁管金相显微镜下的组织结构

如图6所示，水冷壁管失效处的管壁发生了明显的腐蚀现象，形成了多个带状腐蚀坑，向火侧蚀坑数量多、深度大，并呈现出穿晶形式的扩展裂纹，裂纹深度几个毫米，背火侧虽然也存在一定数量的蚀坑，但明显少于向火侧，且无明显扩展。

图6 失效管段向火侧和背火侧内壁的显微组织

在电子显微镜下观察失效水冷壁管内壁垢层，如图7、8所示，可知垢层的主要成分为Fe元素，O元素和Cu元素。

图7 内壁垢层的SEM形貌及能谱

图8 腐蚀坑SEM形貌

如图9所示，水冷壁管失效处裂纹的主要成分为Fe的氧化物。

图9 向火侧裂纹的SEM形貌及EDS图谱

2 结果与讨论

水冷壁管内的氧化铁垢层大大提高了其热阻，使热量无法及时扩散至水中，受到持续高温的作用，并且螺纹与水垢还减弱了管内水的流通，使水内的介质大量沉积，高浓度的介质导致水冷壁管发生电化学腐蚀。

在长期的运行过程中，电化学腐蚀的程度逐渐增加，在上文的实验中发现，水冷壁管向火侧蚀坑数量多、深度大，腐蚀现象明显高于背火侧，对其原因进行分析可知：水冷壁管的向火侧与背火侧温差较大，温度高的一侧炉水浓缩的速度更快、浓度更大，温度低的一侧炉水浓缩的速度慢、浓度低，这时就会发生浓差电池反应，温度高的一侧是阳极，阳极反应导致金属的腐蚀速度大大加快。向火侧的温度更高，局部炉水电导率变大，腐蚀速度随着电流变大而加快，就形成了比背火测更加严重的腐蚀现象。由于向火侧与背火侧温差较大，还会引起电化学反应，背火侧是阴极，触发了阴极金属电化学保护作用，降低了腐蚀速度。

在显微组织试验中显示向火侧蚀坑数量多、深度大，呈现出穿晶形式的扩展裂纹，裂纹深度几个毫米，而背火侧虽然存在一定数量的蚀坑，但明显少于向火侧，且无明显扩展。如图10所示，沿着向火侧裂纹掰开水冷壁管观察其断口，可见裂纹的起点为内壁蚀坑，且呈放射状扩展，显示了明显的疲劳断裂形貌，这是因为向火侧的水冷壁管长期处于交变热应力的作用下，由蚀坑开始发生了疲劳裂纹。在长期的运行中，受热疲劳载荷反复作用，裂纹逐渐扩展，最终贯穿水冷壁，形成了外壁横向裂纹。此外，裂纹表面还附着着垢层，受到氧化腐蚀的作用，在交变载荷与氧化腐蚀的双重作用下，疲劳裂纹附近的介质不断沉积，形成了恶性循环，导致裂纹的速度逐渐增加，在近期出现多起水冷壁管泄漏事故。

图10 向火侧水冷壁管断口SEM形貌

随着我国能源格局的不断优化，调峰电源的需求量增大，火电机组调风适应能力强，已成为调峰电源的主力，致使机组需要经常启停，负载的升降也成为常态。这种变化会引起水冷壁管所受的温度波动增大，对水冷壁管造成一定的冲击，受到交变应力的作用，长期处于这种状态下，水冷壁管的向火侧容易产生疲劳裂纹，向火侧还受到电化学腐蚀的作用，因此，向火侧的腐蚀和裂纹情况要比背火侧严重许多，致使向火侧经常发生泄漏。

3 处理措施

腐蚀和疲劳裂纹都是缓慢发生的，需要长时间的积累才能导致水冷壁管泄漏，机组日常运行时，就要定期开展安全评估，将运行环境恶劣的部位作为重点评估对象，一旦发现损伤程度达到更换标准，要立即进行更换。腐蚀和疲劳裂纹造成的泄漏可以从引起泄漏的原因出发，采取有效的措施阻止或延缓泄漏的发生。

定期对锅炉进行除垢作业，在锅炉水中加入添加剂，在水冷壁管内壁形成保护膜，阻止水垢的形成，预防腐蚀的发生。

监测锅炉水的水质，定期测定锅炉水的成分，控制水中的氧含量，保证锅炉排污装置正常运行，监测锅炉水中的金属离子含量，加入中合剂消除过多的金属离子，降低水冷壁管内的污垢附着。

严格按照锅炉运行制度控制锅炉的起停速率，使锅炉负荷变化平稳，尽量避免频繁启停，降低因频繁启停引起的热应力损害。

4 结语

（1）水冷壁管的泄漏处呈现明显的横向裂纹，该水冷壁已累计运行9.7万h，由20碳素结构钢制成，显微组织为铁素体+珠光体，珠光体球化等级符合水冷壁管运行经验和国家标准，且向火侧与背火侧的组织结构相同，说明水冷壁管的泄漏原因与材料本身的质量无关。（2）水冷壁管失效处的管壁发生了明显的腐蚀现象，形成了多个带状腐蚀坑，向火侧蚀坑数量多、深度大，内壁垢层的主要成分为Fe元素、O元素和Cu元素，受到持续高温的作用，螺纹与水垢减弱了管内水的流通，使水内的介质大量沉积，高浓度的介质导致水冷壁管发生电化学腐蚀。（3）沿着向火侧裂纹掰开水冷壁管观察其断口，裂纹的起点为内壁蚀坑，且呈放射状扩展，符合疲劳断裂形貌，由于向火侧的水冷壁管长期处于交变热应力的作用下，由蚀坑开始发生了疲劳裂纹，在长期的运行中，受热疲劳载荷反复作用，裂纹逐渐扩展，最终贯穿水冷壁引起泄漏。（4）向火侧与背火侧温差较大，温度高的一侧炉水浓度大，温度低的一侧炉水浓度低，发生浓差电池反应，导致向火侧金属的腐蚀速度大于背火侧。向火侧承受的温差更大，受到交变热应力的作用更强，更容易产生疲劳裂纹，导致向火侧更容易发生泄漏。