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1、火力发电厂锅炉水冷壁管氢腐蚀爆管分析崔 仑 丁晓川 吉林省电力科学研究院 大唐长春第二热电有限责任公司 摘 要 本文通过采用理化、金相等技术手段，对我厂锅炉水冷壁氢腐蚀爆管进行了全面分析，指出了其共性特征和形成机理；并在此基础上，提出了相应的整治建议。 关键词锅炉 水冷壁管 脱碳 氢腐蚀 特征 机理1概述 在高温高压下，钢中的碳及渗碳体与渗入的氢发生反应，生成甲烷，致使钢内部脱碳并造成裂纹，称之为氢腐蚀。氢腐蚀是一种不可逆的脆性转变过程，形成速度快，破坏性强，给电厂的安全生产造成很大威胁。近几年来，我公司一期两台机组累计运行时间陆续达到超过10万小时，锅炉水冷壁氢腐蚀爆管的次数明显增加， 1号
2、锅炉（670t/h），曾经连续两次发生水冷壁氢腐蚀爆管。由于这些爆管多发生在冬季，不仅严重影响了电厂的安全运行、经济效益；而且造成大片居民区的供热系统只能低温运行，带来了不利的社会影响。为尽快查清深层原因，避免类似事故再次发生，有必要对水冷壁氢腐蚀爆管进行深入分析与探讨。2 宏观特征取一号炉的管样做试验。水冷壁爆管宏观形貌见图1，爆口位于热负荷较高区管样的向火侧。呈“窗口”状；爆口附近管径基本没有胀粗，边缘粗钝，爆口管壁减薄较少，呈脆性断裂。管壁内表面有明显的腐蚀区，腐蚀区内表面光滑但不平，腐蚀管样内可见大小不一、深度不等的的腐蚀坑，蚀坑呈溃疡状，有弯弯曲曲的小沟道。腐蚀产物可用锐器剥离。爆口
3、处管内壁有坚硬的褐红色腐蚀产物，内壁腐蚀减薄，在最薄处爆管。图1：爆口宏观形貌3 微观特征取爆破管和邻管进行金相检验，观察横断面上裂纹的形态，深度及金相组织情况。对爆管的微观分析结果如下： a）抛光后（浸蚀前），在显微镜下观察爆口处和管内壁，发现存在大量黑色弯曲状微裂纹，裂纹内无腐蚀产物，图2是爆口处横截面图，图3爆口处管内壁纵截面图。图2：爆口横截面处微裂纹形态（抛光态）130图3：爆口处管内壁纵截面裂纹形态（抛光态）130 b）图4、图5是爆口处浸蚀后的试样，图中基体组织为铁素体加珠光体。在整个视野内，珠光体量明显减少，黑色条状为晶间微裂纹。从图4可以看出管内壁横截面存在大量沿晶裂纹，从管
4、壁的内表面一直深入到基体的内部，数量极多，裂纹在脱碳层内产生。离开内壁愈近的，则晶间裂纹较多，而珠光体量变少；离开内壁愈远的，则晶间裂纹较少，而珠光体量变多。小裂纹呈网状分布，大裂纹是由大量的微小裂纹组成。只要有裂纹经过的地方，就会有明显的脱碳现象，脱碳程度由内壁向外壁逐渐减少。图5是管内壁纵截面金相组织图，珠光体已完全消失，形成脱碳层，进一步说明裂纹的形成是由氢和钢中的碳结合，因而造成钢中的脱碳现象。这些微裂纹使金属的晶粒之间联系破坏，致使金属的强度和塑性降低，在外力的作用下没有塑性变形能力，成为脆性破坏， 图4：爆口横截面处裂纹形貌及脱碳情况 180 图5：爆口管内壁纵截面处裂纹形貌及脱碳
5、情况 180c）靠近爆口处管外壁金相组织正常，为带状珠光体十铁素体，未发现晶间裂纹，也没有脱碳现象，见图6。其向、背火侧金相组织均为正常组织。图6：爆口处靠近外壁的正常金相组织180d）离爆口100mm处水冷壁管向火侧内壁取样，金相组织为带状珠光体十铁素体，无裂纹及脱碳层存在，为水冷壁管的正常金相组织，见图7。图7：离开爆口100mm处金相组织 1804 金属检验4.1化学成分分析样管的化学成分分析结果见下表，符合GB53101995高压锅炉用无缝钢管标准对20G钢的要求。化学成分（%）CMnSPSi管样0.210.550.0260.0230.26GB5310-19950.170.240.35
6、0.650.0300.0300.170.374.2力学性能试验在爆口附近取试样，力学性能试验结果见下表：位置屈服点s(MPa)强度极限b(MPa)延伸率(%)向火侧30036811背火侧30847221GB5310-199521640222爆破管子的向火侧与背火侧力学性能差别大，管样向火侧塑性下降甚为严重。向火侧塑性下降幅度大，是氢腐蚀的一个重要特征。4.3垢样分析对此次爆管管样进行了检查分析，垢量为290g/m2，成分见下表：Fe3O4CuOP2O5CaO+MgO管垢成分(%)58.7823.588.275.05腐蚀产物成分(%)921.12.20.9从此次水冷壁管腐蚀产物的表观颜色和成分分
7、析数据看，腐蚀产物主要是Fe3O4。5 氢腐蚀的形成机理 从水冷壁管金属检验结果看，爆口区存在明显的脱碳现象和沿晶裂纹，爆口附近塑性下降严重，从以上现象判断，爆管的直接原因是：水冷壁管发生了氢腐蚀现象，氢腐蚀造成了水冷壁管的脆性爆破。造成水冷壁管氢腐蚀爆管的原因是多方面的，主要有蒸汽腐蚀、碱性腐蚀和酸性腐蚀。由于运行工况、材质、工质的不同，各种腐蚀形式相互作用、相互影响，但其中必有一种腐蚀起主要作用。 （一）蒸汽腐蚀爆管均发生在炉膛热负荷较高区域水冷壁管子的向火侧，说明热负荷对腐蚀有影响。炉内火焰偏斜、热负荷的分布不均，局部热负荷变化幅度较大，会使炉内某些管排的温度过高，造成管壁金属温度波动，
8、破坏了水冷壁管内表面钝化膜的连续性，而钝化膜遭到破坏地方，具有很高的腐蚀活性。氢损伤主要发生在水冷壁的向火侧，高负荷区。由于局部受热面热负荷偏高，当受热面管子管壁温度过高、管壁金属温度大于400，管内产生汽水分层或蒸汽停滞时，就可能会发生蒸汽腐蚀，反应式为： 3Fe4 H2OFe3O48H正常情况下，管子的内表面覆盖一层致密的保护膜，反应生成的氢被循环的炉水带走，不会渗入钢中。而当运行的工作条件出现异常时，情况就会发生变化。如果产生的氢原子不能很快被蒸汽带走，就会在较高的温度作用下向水冷壁向火侧扩散。在钢的表面，氢原子通过晶格和晶界向钢内扩散，并与钢中的渗碳体、游离碳发生反应，继而造成氢腐蚀。
9、发生的化学反应如下： 氢分子与钢中渗碳体发生反应： 2H2Fe3C3FeCH4氢分子与钢中游离碳发生反应： 2H2CCH4 氢原子与钢中游离碳发生反应： 4HCCH4上述所有反应均生成甲烷CH4，甲烷在钢中的扩散能力很低，极易聚集在晶界原有的微观空隙内。随着反应不断进行，晶间上的甲烷量不断积聚增多。与原先氢原子所占的容积相比，甲烷的分子很大，无法在钢中扩散，于是在晶粒间产生巨大的局部内压力，其数值可达1.8105公斤/厘米2，于是沿晶界生成晶间裂纹，从而使钢内部造成微裂纹，使钢的性能急剧降低。腐蚀进一步加剧向纵深发展，管壁减薄越来越明显，造成应力集中显著增加；加之积垢的存在使导热性变差，引起管
10、壁局部温度剧增，又加速了腐蚀的进程，如此反复进行，在两方面的共同作用下，微裂纹逐渐连成网络，钢的强度、韧性丧失殆尽，再也无法承受运行的工作应力，最终导致水冷壁管沿晶开裂。（二）是碱性腐蚀腐蚀过程如下：首先，PH值过高的炉水中产生游离的氢氧化钠，在受热面的附着垢物下发生浓缩，可达很高的浓度，使炉管表面的保护膜溶解，这部分钢与炉水中的游离氢氧化钠反应生成氢和亚铁酸钠，后者水解为四氧化三铁和氢。化学反应为： 3Fe6NaOH3Na2FeO26H 3Na2FeO24 H2OFe3O46 NaOH2H 反应初期的腐蚀产物并不是很多，但一旦形成腐蚀产物，因其热阻较大，必将导致腐蚀产物下局部金属基体的温度升
11、高和盐类浓缩，两者互相促进，使腐蚀加剧，温度更高。在腐蚀过程中形成的氢起初会被水流带走，当腐蚀产物达到一定厚度时，氢向水中扩散的能力减弱，便开始向金属内部渗透，进而产生氢腐蚀。 由于碱性腐蚀生成的四氧化三铁为水解产物，故与金属基体结合不好，具体表现为分层，且有气孔；而通过蒸汽腐蚀生成的四氧化三铁与基体结合较为致密。（三）酸性腐蚀当PH值过低时，会产生酸性腐蚀，破坏管内壁的保护膜。具有腐蚀性的炉水可以直接与金属基体发生如下的反应： Fe2HFe22H反应生成原子态氢，而氢是唯一能扩散至钢和其它金属内部的物质。反应不断进行，氢原子不断向金属内部扩散、渗透，金属内部的氢原子浓度越来越高，进入钢内的氢
12、原子与钢中的碳反应，生成甲烷，进而使钢基体脱碳，产生氢腐蚀。6 氢腐蚀的检验方法因为进行氢损伤检验较困难，发生氢腐蚀后的水冷壁管一般都需要进行大面积的换管。如进行现场检验，可用以下方法：超声法：用超声测厚仪测量垂直管段向火面的管壁壁厚，显示管壁厚度降低的部位即是发生氢损伤的部位；另外，用测量超声声速的变化来检验氢损伤是一种较好的方法，缺点是需要打磨炉内的水冷壁管，工作量较大。X射线拍片法：这是比较有效的方法，但费用较高。氢损伤在X射线底片上显示为一个黑点，并伴随管壁的减薄，黑点越黑或越大，则氢损伤越严重。涡流法：用专用的涡流探伤检测仪器进行检测，优点是无需打磨炉内的水冷壁管，效率高，缺点是准确
13、率稍差。内窥镜法：条件允许情况下，用先进的内窥镜观察水冷壁内壁，优点是直观准确。7 结论与建议7.l 蒸汽腐蚀、碱性腐蚀和酸性腐蚀能破坏水冷壁内表面钝化膜的连续性，导致水冷壁管基体发生氢腐蚀现象，造成水冷壁管的脆性爆破。7.2 爆口区存在明显的脱碳现象和沿晶裂纹，脱碳程度由内壁向外壁逐渐减少。7.3 建议采取适当措施调整炉内空气动力场，避免燃烧偏斜情况，防止炉管的局部汽水循环不良和超温。7.4 建议调整化学加药方式，保证炉水pH合格。建议安装完善化学监控仪表，配有合格的化学专业人员，加强对化学运行的监督管理工作。7.5 完善化学质量控制标准与紧急事故处理工作程序，发生化学污染要及时停炉处理。7.6 应加强水处理设备和加药系统的检修，需注意局部加药浓度有可能高于整个炉水系统的浓度，但取样时却无法反映出来，存在一定的滞后性。7.7 建议定期对锅炉水冷壁进行化学清洗，以彻底清除表面腐蚀产物，保持锅炉管内壁清洁，保证给水水质。7.8 水冷壁管发生腐蚀后，应降低锅炉的温度等运行参数，从而减少水冷壁管氢腐蚀爆管的概率；同时及早采取无损检测等手段，对水冷壁管内壁腐蚀情况进行普查，更换腐蚀严重的水冷壁管。第 7 页