某火電廠鍋爐水冷壁氫脆爆管原因分析

陶向前

【摘 要】本文運(yùn)用熱力設(shè)備中鍋爐水冷壁的酸性腐蝕機(jī)理，尋找鍋爐水冷壁氫脆爆管的原因，并提出防止氫脆的措施。

【關(guān)鍵詞】氫脆；水冷壁；積垢；電化學(xué)反應(yīng)；脫碳；酸性腐蝕

中圖分類號(hào)： TM621.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）35-0208-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.090

Cause Analysis of Hydrogen Embrittlement Tube Explosion in Water Wall of a Thermal Power Plant Boiler

TAO Xiang-qian

（Huaihu Coal Electic Power Co.，Ltd Tianji Power Generation Factory， Anhui Huainan 232098， China）

【Abstract】This paper uses the acid corrosion mechanism of boiler water wall in thermal equipment to find out the causes of hydrogen embrittlement explosion of boiler water wall， and puts forward measures to prevent hydrogen embrittlement.

【Key words】Hydrogen brittle water wall fouling electrochemical reaction decarbonization corrosion

0 前言

熱力發(fā)電設(shè)備中的鍋爐水冷壁由于接觸的工作物質(zhì)是高參數(shù)，因而它們是比較容易產(chǎn)生腐蝕的。由于嚴(yán)重腐蝕而導(dǎo)致氫脆爆管也是常見的。所以討論造成氫脆爆管的原因（主要是指外部因素），對(duì)防止水冷壁爆管非常必要。為了避免水冷壁氫脆爆管事故的再次發(fā)生，我們對(duì)某廠#6爐水冷壁氫脆的原因進(jìn)行了分析探討。

1 爐爆管的情況

某廠#6爐是SG—420/13.7—M418型超高壓、單氣鼓、自然循環(huán)、一次中間再熱、儲(chǔ)倉(cāng)式煤粉爐，水冷壁采取φ60.3*7.1材質(zhì)為STB42的光管焊扁鋼組成的膜式水冷壁，分成14個(gè)循環(huán)回路。前后墻各四個(gè)共30*4*2=240根，左右墻各三個(gè)共2*（34+36+34）=208根，總計(jì)448根。后墻水冷壁上部由38根分叉管分成兩路：一路形成折焰角，一路垂直上升起懸吊作用。整個(gè)受熱面向下做自由膨脹。鍋爐額定蒸發(fā)量為420t/h，飽和蒸汽壓力為15.2Mpa，飽和蒸汽溫度為343℃。于1993年3月3日移交試生產(chǎn)，至2018年10月已累計(jì)運(yùn)行約100000小時(shí)，起停516次（1993年3月3日～2018年10月1日）。其間經(jīng)歷過(guò)七次大修，第七次大修從2017年11月7日開始～12月23日結(jié)束。

2018年10月24日，某廠#6鍋爐水冷壁發(fā)生爆管，爆管位置為后墻標(biāo)高29米水冷壁折焰角擴(kuò)建端向固定端數(shù)#37管。#37爆管爆口面向爐內(nèi)，管徑無(wú)明顯脹粗，爆口呈窗口狀，上下各有一條宏觀裂紋。從外壁看爆口為長(zhǎng)條形，邊緣厚鈍，無(wú)塑性變形，為脆性斷裂斷口形貌。從內(nèi)壁看，爆口與兩端裂紋所對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁處有腐蝕坑，腐蝕坑最長(zhǎng)處235mm，最寬處45mm，爆口處因腐蝕而管壁厚度嚴(yán)重減薄，最薄處為3mm。

2 取樣檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步地分析情況，查找原因，金屬專業(yè)對(duì)爐內(nèi)有代表性的多個(gè)位置進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，結(jié)果如下：

a.金相檢驗(yàn)：金相組織為珠光體+鐵素體（P+F），晶粒度7～8級(jí)，呈帶狀組織。取樣處剩余壁厚最小值約2.8mm。內(nèi)壁布滿了大量的晶間裂紋，晶間裂紋周向分布為取樣寬度，徑向深度平均為0.8～1.3mm。其中在試樣中部一處管材流線突變處，晶間裂紋發(fā)展異常，徑向深度達(dá)2.4mm，剩余有效壁厚不足0.4mm，幾乎裂穿。存在不同程度的脫碳，脫碳區(qū)域與晶間裂紋分布區(qū)域相當(dāng)。

b.腐蝕產(chǎn)物分析：經(jīng)X射線結(jié)構(gòu)分析表明，該腐蝕產(chǎn)物中的晶態(tài)物質(zhì)主要為Fe3O4氧化物，具有明顯的磁性。

c.垢樣分析：從X射線光電子能譜四個(gè)垢樣的試驗(yàn)分析中，可得知分析樣品表面元素的化學(xué)狀態(tài)。Fe為氧化鐵，C為污染碳：CO32-與C-O。其中脫落腐蝕產(chǎn)物表面與內(nèi)表面中Cu的化學(xué)狀態(tài)為Cu2O、CuO、CuCO3，Zn為二價(jià)離子。大樣品表面中Cu的化學(xué)狀態(tài)為CuO、CuCl2，S的化學(xué)狀態(tài)為SO32-或SO42-；小樣品表面不含銅。大、小樣品表面均含有一定比例的氯，其中小樣品含氯量的原子百分比高達(dá)14.3%。垢樣中的組元及組分如上表1所示：

d.超聲波檢驗(yàn)：爆管后，經(jīng)超聲波檢查218根水冷壁管，發(fā)現(xiàn)存在缺陷信號(hào)的根數(shù)為30根，出現(xiàn)缺陷的比例為13.76%。其中腐蝕發(fā)生在焊縫及其附近區(qū)域的根數(shù)為17個(gè)，占缺陷管比例為56.66%。這么高比例腐蝕現(xiàn)象發(fā)生在焊縫區(qū)域，一般是與腐蝕發(fā)生速率較高和腐蝕發(fā)生的選擇性有關(guān)。

3 #6爐水冷壁產(chǎn)生氫脆的原因及機(jī)理

通過(guò)以上試驗(yàn)認(rèn)為，#6鍋爐的爆管失效是因?yàn)?，?dāng)鍋爐處于某個(gè)非穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如冷態(tài)啟動(dòng)，在其爐水PH值可能低于7.5時(shí)，鍋爐蒸發(fā)受熱面的表面膜發(fā)生局部溶解破壞，鋼鐵表面處于活性溶解狀態(tài)造成腐蝕；或沒有進(jìn)行停爐保護(hù)，或保護(hù)不當(dāng)?shù)龋仩t水冷壁管內(nèi)在停用時(shí)與水或濕空氣接觸受空氣中的O2、CO2等因素影響產(chǎn)生的停用腐蝕。一旦發(fā)生了上述保護(hù)膜破壞的情況，并發(fā)生腐蝕，下面幾個(gè)腐蝕過(guò)程將同時(shí)發(fā)生，并相互促進(jìn)，并在特定的系統(tǒng)條件下，加速腐蝕。有資料顯示，盡管非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行可能時(shí)間很短，但只要造成保護(hù)性氧化膜的破壞，在當(dāng)爐水PH值恢復(fù)正常后，表面膜的重建要長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)，所以危害十分大。

首先，由于金屬表面保護(hù)膜的破壞，將引起金屬電極電位的降低，就會(huì)形成以膜為陰極，裸露的金屬為陽(yáng)極，而發(fā)生局部陽(yáng)極溶解，產(chǎn)生腐蝕坑，進(jìn)而萌生腐蝕裂紋。與此同時(shí)，腐蝕坑與腐蝕裂紋處的壁面溫度將升高，表面處于相對(duì)活化狀態(tài)，給水中的銅（包括比鐵的電極電位高的金屬元素）將首先在此沉積，其積垢速度與自身含量及鍋爐蒸發(fā)受熱面熱負(fù)荷的平方成正比。當(dāng)高價(jià)態(tài)的銅沉積在水冷壁管上時(shí)，它們和水冷壁管起如下電化學(xué)反應(yīng)：

Cu2++Fe→Fe2++Cu

其結(jié)果是銅的高價(jià)氧化物得到電子而還原，水冷壁管的鋼鐵則因失去電子而發(fā)生陽(yáng)極溶解腐蝕。銅的沉積又在其周圍形成新的電化學(xué)腐蝕電池，加速了該區(qū)域的腐蝕進(jìn)程。

其次，腐蝕的加劇將導(dǎo)致該處受熱面的結(jié)垢，蒸發(fā)受熱面上的結(jié)垢將使壁面溫度進(jìn)一步升高，這些附著物具有孔隙，爐水滲入其中將發(fā)生濃縮，并將產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致導(dǎo)熱性進(jìn)一步下降。因此，宏觀地、動(dòng)態(tài)地說(shuō)，可以認(rèn)為在有附著物的管壁上，貼著一個(gè)吸滿了爐水濃縮膜的海綿狀附著物，使該處金屬管不停地受到高濃度爐水液膜的侵蝕。

經(jīng)X射線光電子能譜試驗(yàn)表明，分析管樣中的腐蝕產(chǎn)物含有大量的氯原子組分，百分比含量最高達(dá)14.3%，說(shuō)明凝結(jié)水中漏入了生水。在這種特定情況下，就會(huì)發(fā)生濃縮爐水中含有較多的M+Cl-，如MgCl2、CaCl2，這些金屬鹽會(huì)和水發(fā)生作用而水解生成鹽酸，使水垢下聚積有很多H+離子，并使局部區(qū)域的PH值降到很低，發(fā)生水對(duì)金屬的酸性腐蝕。又由于腐蝕附著物的影響，使水循環(huán)嚴(yán)重不良，壁面超溫而發(fā)生析氫反應(yīng)：3Fe+4H2O→Fe3O4+8[H]。上述在沉積物下生成的原子態(tài)氫無(wú)法擴(kuò)散到汽水匯合區(qū)域，使金屬管壁與沉積附著物間積累了大量氫。這些氫有一部分?jǐn)U散到金屬內(nèi)部，和碳鋼中的滲碳體發(fā)生如下反應(yīng)：Fe3C+4[H]→3Fe+CH4↑。反應(yīng)生成的甲烷CH4，積聚在鋼中，產(chǎn)生很大的局部?jī)?nèi)應(yīng)力，促使晶粒沿晶界開裂形成晶間裂紋，使金屬晶粒之間的聯(lián)系遭到破壞，直接引起珠光體脫碳，金屬的強(qiáng)度和塑性降低，在外力作用下發(fā)生脆性破壞。

綜上所述認(rèn)為：#6鍋爐后墻水冷壁爆管是由酸性腐蝕而引起的氫脆爆管。

4 結(jié)論及預(yù)防措施

由于鍋爐停、備用而沒有可靠的防止腐蝕的保護(hù)方法，或者由于在一定時(shí)期內(nèi)啟、停次數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致金屬表面保護(hù)膜的破壞，致使水冷壁發(fā)生局部腐蝕，在運(yùn)行時(shí)隨著積垢的增加，或爐水品質(zhì)不佳，造成爐水PH值降到很低，發(fā)生水對(duì)金屬的酸性腐蝕。同時(shí)，積垢和腐蝕物的增加又導(dǎo)致水循環(huán)不良，使壁面超溫而發(fā)生析氫反應(yīng)，原子態(tài)氫又與鋼中滲碳體作用生成甲烷積聚于鋼中，不僅造成珠光體脫碳，而且引起很大的內(nèi)應(yīng)力，并最終導(dǎo)致水冷壁的氫脆爆管。

由此可見，#6爐水冷壁氫脆爆管的原因有：（1）長(zhǎng)時(shí)間停爐而沒有采取必要的防止腐蝕措施，以及近幾年該爐啟、停次數(shù)較多，造成爐管的潰瘍腐蝕并破壞爐管的金屬保護(hù)層；（2）水冷壁的積垢過(guò)多，致使?fàn)t管的壁溫過(guò)高，并引起爐水的局部濃縮；（3）由于凝汽器的運(yùn)行狀態(tài)不良導(dǎo)致爐水品質(zhì)不佳形成對(duì)金屬的酸性腐蝕。

基于以上原因，為保障鍋爐水冷壁的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，我們有必要采取下列措施：（1）盡可能的減少鍋爐的啟、停次數(shù)，做好停爐期間的保護(hù)工作；（2）減少爐管的積垢，對(duì)積垢過(guò)多的爐管嚴(yán)格按《化學(xué)清洗導(dǎo)則》進(jìn)行除垢處理；（3）確保凝汽器系統(tǒng)在一個(gè)穩(wěn)定、良好的工況下運(yùn)行，杜絕發(fā)生氫腐蝕的根源；（4）重視定期排污工作，尤其是冷態(tài)啟動(dòng)情況下的排污工作；（5）對(duì)出現(xiàn)腐蝕的爐管應(yīng)及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。

【參考文獻(xiàn)】

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