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      水冷壁管是鍋爐的主要受熱部分，用于吸收爐膛中高溫燃燒產(chǎn)物的輻射熱量，也是實(shí)現(xiàn)鍋爐熱量傳遞與交換的最核心部件。由于鍋爐運(yùn)行工況復(fù)雜，水冷壁管長(zhǎng)期處于高壓水汽和高溫?zé)煔猸h(huán)境中，壁厚異常減薄給鍋爐的安全運(yùn)行造成重大安全隱患，因此分析其減薄原因，并采取必要的預(yù)防措施，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

 

     在對(duì)某電廠300MW亞臨界機(jī)組鍋爐進(jìn)行防磨防爆檢查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其大批量水冷壁管壁厚異常減薄，水冷壁管材料為SA-210C鋼，規(guī)格為63.5mm×7.5mm（外徑×壁厚）。研究人員采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡（SEM）和能譜分析等方法對(duì)壁厚異常減薄原因進(jìn)行分析，以消除該類安全隱患。

 

1、理化檢驗(yàn)

 

1.1 宏觀觀察

 

      水冷壁管向火側(cè)外壁宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：水冷壁管向火側(cè)外壁有較多灰黑色的附著物，附著物厚度已超過(guò)1mm，附著物分為多層，最外層堅(jiān)硬而易碎，多處附著物存在不同程度的剝離和脫離。

      水冷壁管橫截面宏觀形貌如圖2所示。水冷壁管未見(jiàn)明顯變形，背火側(cè)壁厚較為均勻，向火側(cè)壁厚不均勻，局部減薄非常明顯。對(duì)水冷壁管進(jìn)行壁厚測(cè)量，實(shí)測(cè)水冷壁管背火側(cè)壁厚約為7.6mm，壁厚正常；向火側(cè)管壁減薄最嚴(yán)重位置的壁厚僅為4.5mm，減薄量?jī)H有原壁厚的40%左右，不符合DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中“鍋爐受熱面管壁厚應(yīng)無(wú)明顯減薄”的要求。對(duì)于水冷壁、省煤器、低溫段過(guò)熱器和再熱器管，壁厚減薄量應(yīng)不超過(guò)設(shè)計(jì)壁厚的30%。

 

1.2 化學(xué)成分分析

 

      在水冷壁管上截取試樣，采用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣材料的各元素含量均符合ASME SA-210/SA-210M—2023《鍋爐和過(guò)熱器用無(wú)縫中碳鋼管子》對(duì)SA-210C 鋼的要求。

 

 

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

 

      在水冷壁管背火側(cè)取樣，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：水冷壁管的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率及布氏硬度均符合ASME SA-210/SA-210M—2023的要求。

 

 

 

 

1.4 金相檢驗(yàn)

 

      在水冷壁管上取樣，對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：水冷壁管向火側(cè)和背火側(cè)的組織形態(tài)無(wú)明顯差異，顯微組織為鐵素體+ 珠光體，晶粒度為10級(jí)，珠光體形態(tài)較為清晰，邊界模糊，晶界上開(kāi)始有顆粒狀碳化物析出，珠光體球化級(jí)別為2級(jí)，球化程度較輕，未發(fā)現(xiàn)異?；蛎黠@的過(guò)熱組織，向火側(cè)外表面殘留腐蝕附著物，最厚達(dá)1.16mm。

 

 

 

 

1.5 掃描電鏡及能譜分析

 

      對(duì)水冷壁管外壁附著物外表面、中間層、內(nèi)表面進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，結(jié)果如圖4~6所示。由圖4~6可知：水冷壁管外壁附著物外表面元素種類較多，含F(xiàn)e、O、S、Zn、Si、Al、Ca、Mn等元素；附著物內(nèi)表面元素種類較少，幾乎全部為Fe、O、S元素，應(yīng)為水冷壁管母材的氧化腐蝕產(chǎn)物。

 

 

 

2、綜合分析

 

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

 

      該水冷壁管的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合ASME SA-210/SA-210M—2023對(duì)SA-210C鋼的要 求。水冷壁管管徑無(wú)明顯變形，向火側(cè)母材顯微組織中珠光體球化級(jí)別為2級(jí)，組織老化不明顯，這說(shuō)明水冷壁管在運(yùn)行過(guò)程中壁溫正常，無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象。水冷壁管向火側(cè)存在不均勻減薄，外徑隨向火側(cè)壁厚減薄量的增加而減小，表明水冷壁向火側(cè)壁厚減薄為外壁腐蝕所致。水冷壁管外表面附著物堅(jiān)硬且易碎，能譜分析結(jié)果表明附著物為鐵的氧化物和硫化物，從而判斷水冷壁管向火側(cè)發(fā)生的腐蝕形式為高溫硫腐蝕。

 

2.2 腐蝕原因分析

 

      高溫腐蝕與煤的種類有很大關(guān)系，煤中的硫元素和硫化物是形成腐蝕的主要原因，而煤的燃燒特性又是影響腐蝕速率的主要因素之一。鍋爐水冷壁腐蝕發(fā)生在不完全燃燒中形成的一氧化碳還原性氣氛中，同時(shí)有硫化氫存在，使水冷壁管發(fā)生硫化物型高溫腐蝕。煤中的黃鐵礦是引起硫化物型高溫腐蝕的主要原因，其反應(yīng)機(jī)制如下所述。黃鐵礦粉末隨高溫?zé)煔獾竭_(dá)水冷壁管附近，在還原性氣氛下黃鐵礦粉末受熱分解出自由原子硫和硫化亞鐵。當(dāng)水冷壁管附件存在H2S和SO2時(shí)，也可能發(fā)生如下反應(yīng)。

 

2H2S+SO2→2H2O+3S

 

      在還原性氣氛中，由于缺氧，硫原子可以獨(dú)立存在，當(dāng)管壁溫度超過(guò)350℃時(shí)，會(huì)發(fā)生硫化反應(yīng)。

 

Fe+S→FeS

 

      H2S還能和FeO作用，發(fā)生如下反應(yīng)。

 

FeO+H2S→FeS+H2O

 

     FeS會(huì)繼續(xù)氧化生成Fe3O4，反應(yīng)方程式為

 

3FeS+5O2→Fe3O4 +3SO2

 

      綜上所述，煤中硫元素含量高，未充分燃燒的煤粉沖刷水冷壁并形成局部還原性氣氛，在溫度較高的水冷壁產(chǎn)生高溫腐蝕。

 

3、 結(jié)論與建議

 

    （1）水冷壁管減薄的主要原因是硫化物型的高溫腐蝕。

 

    （2）水冷壁管產(chǎn)生高溫腐蝕的主要因素有水冷壁區(qū)還原性氣氛、水冷壁管壁溫、煤質(zhì)品級(jí)及燃燒狀況等。

 

    （3）建議電廠加強(qiáng)對(duì)水冷壁管的監(jiān)督檢查，重點(diǎn)關(guān)注歷史發(fā)生腐蝕部位，尤其是近期存在煤質(zhì)波動(dòng)、鍋爐運(yùn)行調(diào)整等情況時(shí)，須利用臨停、檢修等機(jī)會(huì)增加割管頻次、擴(kuò)大割管范圍，檢查相應(yīng)管系的腐蝕情況，并根據(jù)腐蝕情況采取針對(duì)性處理措施，及時(shí)更換腐蝕減薄導(dǎo)致強(qiáng)度不足的管子，對(duì)易發(fā)生腐蝕減薄的區(qū)域采取加裝防護(hù)瓦或噴涂等防護(hù)措施。

 

    （4）建議電廠在煤質(zhì)含硫量和水冷壁壁溫保持不變的情況下，通過(guò)燃燒調(diào)整優(yōu)化，控制好氧元素含量，避免燃燒區(qū)域因局部缺氧而形成還原性氣氛，可以有效減少水冷壁硫化物型高溫腐蝕減薄現(xiàn)象的發(fā)生次數(shù)。

 

作者：高大偉

 

單位：中國(guó)大唐集團(tuán)科技創(chuàng)新有限公司

 

來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2024年第6期