鍋爐水冷壁管爆管原因分析及防范措施

黎子鋒

（廣州恒運企業(yè)集團股份有限公司，廣東廣州 100000）

0 引言

鍋爐10年來運行良好，但在2018年1月9#鍋爐在運行中水冷壁管出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，爆管位置見圖1。

圖1 水冷壁管穿孔對應(yīng)爐膛外壁位置

1 試驗與分析

1.1 簡介

爆管的兩根鰭片焊接的膜式內(nèi)螺紋水冷壁管，材料牌號為SA210C，規(guī)格為Φ63.5×7.5 mm，工作壓力為18.77 MPa，工作溫度為361℃。水冷壁穿孔部位離地面約26 m處。

1.2 宏觀分析

水冷壁穿孔位置兩側(cè)斜上方約2 m處各有1個蒸汽吹灰器，對應(yīng)爐膛外壁位置如圖1所示。兩根膜式內(nèi)螺紋水冷壁管，1#管和2#管穿孔位置均位于靠近中間鰭片的相鄰區(qū)域，穿孔處外壁減薄明顯，表面有紅褐色銹斑，穿孔邊緣厚度不足1 mm，穿孔周圍呈溝壑和凹坑狀。利用體視顯微鏡進(jìn)一步觀察可見，1#管有一個較大的穿孔A，穿孔直徑約8 mm，穿孔邊緣可見有4處開裂，其中穿孔邊緣裂紋1和穿孔裂紋3位于同一直線方向，穿孔邊緣裂紋2和穿孔裂紋4位于同一直線方向，未見明顯變形及外翻。2#管有一個穿孔口B，穿孔直徑約5mm，穿孔邊緣有（1～2）mm邊緣外翻，邊緣可見撕裂開裂。穿孔附近外壁表面有大量圓形凹坑，局部有2處直徑為（1～2）mm左右穿孔。穿孔右側(cè)附近表面有紅褐色銹斑，周圍可見呈放射狀的沖刷痕跡。1#管在穿孔A附近截斷后，可見管子內(nèi)壁覆蓋紅褐色腐蝕產(chǎn)物，向火面內(nèi)壁靠近穿孔位于內(nèi)螺紋內(nèi)凹部位，其附近有腐蝕凹坑，背火面內(nèi)壁未見明顯腐蝕凹坑，壁厚約為7.5 mm。2#管在穿孔B附近截斷后，可見內(nèi)壁呈紅褐色，未見明顯腐蝕坑，遠(yuǎn)離穿孔位置剩余壁厚均約為7.5 mm。將水冷壁管沿鰭片位置剖開為向火面和背火面，1#管剖開后可見其向火面穿孔A附近內(nèi)壁有腐蝕減薄，剩余壁厚約3 mm，表面覆蓋紅褐色腐蝕產(chǎn)物，局部紅褐色腐蝕產(chǎn)物脫落后呈黑色。2#管局部剖開后，可見穿孔B附近向火面和背火面內(nèi)壁均呈紅褐色，內(nèi)壁未見明顯腐蝕減薄。

圖2 水冷壁管

1.3 化學(xué)成分分析

對水冷壁管進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果顯示水冷壁管材料成分均符合SA210C/ASME SA-210/SA-210M標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果見表1。

表1 水冷壁管化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

1.4 拉伸試驗

對兩根水冷壁管向火面和背火面分別制進(jìn)行室溫拉伸試驗，試驗結(jié)果顯示1#，2#水冷壁管的抗拉強度、下屈服強度均滿足ASME SA-210/SA-210M標(biāo)準(zhǔn)要求，其中1#管抗拉強度和下屈服強度比2#管相對較低，1#管向火面抗拉強度和下屈服強度試驗值均接近標(biāo)準(zhǔn)要求下限。

1.5 金相分析

對1#水冷壁管穿孔A（E-E截面，見圖2）附近向火面及背火面分別取樣進(jìn)行金相宏觀和微觀分析。觀察發(fā)現(xiàn)1#水冷壁管穿孔A附近向火面有從內(nèi)壁向外壁擴展的裂紋，向火面內(nèi)壁表面覆蓋腐蝕產(chǎn)物，厚度約為0.4 mm，見圖3、圖4；進(jìn)一步局部放大觀察，可見主裂紋尖端沿晶擴展，向火面靠近內(nèi)壁處可見大量孔洞，孔洞呈圓形和長條形，部分孔洞貫穿連接成裂紋，金相組織為鐵素體+珠光體，向火面珠光體球化級別（2～2.5）級，向火面內(nèi)壁孔洞附近可見局部脫碳，同時可見內(nèi)壁萌生狀態(tài)裂紋，向火面外壁組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化級別（2～2.5）級，凹坑底部未見尖銳裂紋擴展。1#水冷壁管穿孔A處背火面金相組織均為鐵素體+珠光體，珠光體組織片層結(jié)構(gòu)清晰。

表2 水冷壁管拉伸試驗結(jié)果

對2#水冷壁管受損的凹坑處（F-F截面，見圖2）及無明顯受損部位分別取樣進(jìn)行金相觀察。2#水冷壁管受損凹坑處的金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體組織片層結(jié)構(gòu)清晰。2#水冷壁管無明顯受損部位金相組織均為鐵素體+珠光體，珠光體組織片層結(jié)構(gòu)清晰。

圖3 1#管宏觀金相組織圖

圖4 1#管向火面內(nèi)壁裂紋

1.6 DR檢測

根據(jù)金相分析發(fā)現(xiàn)穿孔A附近存在從內(nèi)壁向外壁擴展裂紋情況，為進(jìn)一步了解水冷壁管其它部位是否存在裂紋。對1#管和2#管局部剖開位置進(jìn)行DR數(shù)字射線檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1#管穿孔A附近內(nèi)壁凹坑處存在4處裂紋，裂紋最大長度約8 mm，見圖5～7。2#管穿孔B附近未見內(nèi)部裂紋顯示，見圖8。

1.7 掃描電鏡形貌及能譜分析

用掃描電子顯微鏡對1#水冷壁管穿孔A處的形貌和附著物進(jìn)行觀察，可見穿孔A附近內(nèi)壁被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，覆蓋物約0.5 mm，表面有脫落現(xiàn)象，在穿孔A處向火面內(nèi)壁附近可見大量孔洞，孔洞主要呈圓形和長條形，大部分孔洞邊緣呈圓滑狀，部分孔洞尖端有開裂趨勢，局部孔洞尖端開裂并貫穿連接成裂紋。能譜分析顯示穿孔A向火面內(nèi)壁表面覆蓋產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，主要元素為 Fe，O，C，Cu等。

對2#水冷壁管穿孔B附近外表面進(jìn)行觀察，其表面為溝壑狀沖刷痕跡，溝壑狀表面進(jìn)一步局部放大觀察可見大量圓形狀小凹坑。對穿孔B外表面超聲清洗后觀察，可見局部呈溝壑及凹坑狀，局部放大可見表面存在大量細(xì)小的圓形凹坑。 對穿孔B附近外表面局部進(jìn)行觀察，可見表面有覆蓋物，外層覆蓋物表皮有脫落現(xiàn)象，對有脫落現(xiàn)象的覆蓋物和內(nèi)層覆蓋物分別進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示內(nèi)層覆蓋物有少量 S，Cl，O 等元素，外層覆蓋物有少量S，P，O等元素。對穿孔B外壁附近區(qū)域超聲清洗后的球狀顆粒物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示顆粒物含有 Si，Al等元素，見表4。

2 綜合原因分析

2.1 試驗結(jié)果分析

圖5 DR檢測樣品

圖6 1#管局部DR圖片

圖7 1#管向火面局部DR圖片

圖8 2#管局部DR拍攝圖片

表3 穿孔A內(nèi)壁覆蓋物能譜分析結(jié)果列表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

表4 穿孔B附近外壁能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

（1）根據(jù)宏觀分析，2根水冷壁管穿孔附近外壁有明顯溝壑狀和放射狀沖刷痕跡，外部有明顯的沖刷減薄。1#管在穿孔A附近向火面內(nèi)壁有凹坑狀腐蝕，內(nèi)表面成紅褐色，內(nèi)層呈黑色，背火面內(nèi)壁未見明顯腐蝕凹坑和減薄。其中穿孔A處的邊緣分別成一直線的裂紋1和3、2和4即為管子內(nèi)部孔洞擴展產(chǎn)生的裂紋。2#管穿孔附近外壁出現(xiàn)沖刷減薄，內(nèi)壁表面呈紅褐色，未見明顯腐蝕凹坑和減薄。

（2）根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果，2根水冷壁管的化學(xué)成分均滿足ASME SA-210/SA-210M標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）根據(jù)拉伸試驗結(jié)果，2根水冷壁管強度性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但1#管向火面抗拉強度和下屈服強度接近標(biāo)準(zhǔn)要求下限值。結(jié)合金相分析結(jié)果，1#管強度性能偏低主要為管道局部存在孔洞所致。

（4）從金相觀察結(jié)果可知，1#水冷壁管穿孔A附近向火面可見從內(nèi)壁向外壁擴展的裂紋，向火面內(nèi)壁表面覆蓋腐蝕產(chǎn)物，厚度約為0.4 mm；主裂紋尖端沿晶擴展，向火面可見大量孔洞，孔洞主要呈圓形和長條形，局部孔洞貫穿連接成裂紋，金相組織為鐵素體+珠光體，向火面珠光體球化級別2～2.5級。2#水冷壁管受損的凹坑處及無明顯受損部位金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體組織片層結(jié)構(gòu)清晰。

（5）根據(jù)數(shù)字射線檢測結(jié)果，1#水冷壁管穿孔A附近內(nèi)壁凹坑處存在4處裂紋，裂紋最大長度約8 mm。

（6）根據(jù)掃描電鏡觀察結(jié)果分析，1#水冷壁管穿孔A附近內(nèi)壁凹坑處被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，外層覆蓋物有脫落現(xiàn)象，外層覆蓋物的主要元素為O和Fe。1#水冷壁管穿孔A處內(nèi)壁向火面可見大量孔洞，孔洞主要呈圓形和長條形，局部孔洞貫穿連接成裂紋，表面覆蓋產(chǎn)物主要為Fe的氧化物。2#水冷壁管穿孔B附近外壁有明顯溝壑狀沖刷痕跡，表面可見細(xì)小的圓形凹坑。能譜分析結(jié)果顯示水冷壁管表面覆蓋物存在S，Cl，O等腐蝕性物質(zhì)。

2.2 原因分析

（1）1#水冷壁管穿孔泄漏原因分析。水冷壁的工作壓力為18.77 MPa，工作溫度為361℃，在鍋爐運行時，水冷壁管內(nèi)壁表面由于高溫氧腐蝕形成一層紅褐色氧化產(chǎn)物，局部存腐蝕凹坑處覆蓋氧化腐蝕產(chǎn)物，影響鍋爐水和蒸汽對管壁的降溫作用。同時，水冷壁安裝位置上方的吹灰裝置如果對水冷壁管局部連續(xù)沖刷，也可引起水冷壁管局部溫度波動，破壞水冷壁內(nèi)壁氧化膜的連續(xù)性，氧化膜受到破壞的部位容易產(chǎn)生腐蝕凹坑。在內(nèi)壁腐蝕凹坑擴展變深，內(nèi)壁受到腐蝕產(chǎn)物覆蓋時，水冷壁管局部承受較高的溫度和壓力，增加了氫在凹坑處的溶解度，使氫持續(xù)向管壁金屬擴散。由于高溫下金屬晶界強度低，因此氫擴散到晶界，與鋼中的碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成甲烷，甲烷氣體無法從鋼中擴散出去而形成氣泡，這些氣泡的數(shù)目和尺寸隨著時間增加，局部氣泡擴大并互相連接，逐漸貫穿連接形成裂紋。水冷壁管最終在內(nèi)壁腐蝕減薄形成凹坑和孔洞貫穿裂紋的共同作用下出現(xiàn)穿孔泄漏。

（2）2#水冷壁管穿孔泄漏原因分析。2#水冷壁管穿孔處外壁形貌具有沖刷減薄特征，微觀形貌具有凹坑狀腐蝕特征，且能譜分析顯示穿孔處外壁覆蓋物含有S，Cl，O等元素，可見水冷壁外壁減薄穿孔為流體沖刷和腐蝕的綜合作用結(jié)果。1#水冷壁出現(xiàn)穿孔泄漏后，可對其附近水冷壁管外壁造成沖刷腐蝕減薄。水冷壁安裝位置上方的吹灰裝置如果出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，也可能對水冷壁管局部連續(xù)沖刷，引起局部溫度異常，并造成沖刷腐蝕減薄及穿孔泄漏。

3 結(jié)論

（1）1#水冷壁管向火面由于內(nèi)壁局部腐蝕凹坑和氫腐蝕裂紋擴展而發(fā)生穿孔泄漏。

（2）2#水冷壁管向火面在流體沖刷和煙氣腐蝕共同作用下，發(fā)生了沖刷腐蝕減薄，局部出現(xiàn)了穿孔泄漏。

4 防范措施

為及時發(fā)現(xiàn)鍋爐運行時潛在的危險缺陷，并避免再次出現(xiàn)水冷壁穿孔爆管事件，公司根據(jù)實際情況做好以下工作:

（1）對水冷壁管進(jìn)行壁厚抽查檢測，對壁厚出現(xiàn)異常的水冷壁管及時更換。

（2）加強水質(zhì)管理，確保給水、鍋水中的溶解氧的含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）確保吹灰裝置的穩(wěn)定運行，防止吹灰裝置出現(xiàn)卡澀，造成水冷壁管局部連續(xù)吹灰及溫度異常。

（4）確保爐膛燃燒正常，防止偏燒及局部過熱現(xiàn)象，控制煙氣中S，Cl等腐蝕性物質(zhì)含量，減少煙氣對管子的腐蝕作用。

（5）加強對安裝前的無縫鋼管的存放管理和使用前的檢查，避免安裝使用的水冷壁管存在腐蝕凹坑等缺陷。

5 結(jié)束語

通過以上方法改進(jìn)后鍋爐運行情況良好，運行快一年來，水冷壁沒有出現(xiàn)爆管泄漏現(xiàn)象。