亞臨界鍋爐水冷壁管局部減薄原因分析

李憲爽， 高成龍, 王 碩,2

(1. 哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司, 哈爾濱 150046；2. 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室, 哈爾濱 150046)

鍋爐水冷壁失效在鍋爐運行過程中時有發(fā)生，作為鍋爐的主要受熱面，發(fā)生減薄甚至爆管等失效現(xiàn)象將嚴(yán)重影響鍋爐的安全運行。某電廠300 MW亞臨界一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，采用平衡通風(fēng)、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式，燃用煙煤。鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)為1 056 t/h，主蒸汽壓力為17.53 MPa、溫度為540 ℃。運行約2.6萬h后檢查發(fā)現(xiàn)，燃燒器上方水冷壁管向火側(cè)存在不同程度壁厚減薄及腐蝕物附著現(xiàn)象，標(biāo)高29 m左右的2號、3號角主燃燒器間左數(shù)第18～20根水冷壁管區(qū)域最嚴(yán)重。該區(qū)域水冷壁管為內(nèi)螺紋管，材質(zhì)為SA-210MGr.C，管子直徑為63.5 mm、壁厚為6.6 mm。為研究該鍋爐水冷壁管減薄原因，對該區(qū)域水冷壁管進行了取樣分析。

1 試驗分析

1.1 宏觀分析

對取樣管進行宏觀形貌觀察，結(jié)果見圖1。由圖1可以看出：取樣管未發(fā)生明顯脹粗及變形，向火側(cè)外表面存在明顯結(jié)焦及附著物附著情況。取樣管向火側(cè)管壁為不均勻減薄，具有一定方向性，可分為管壁中間區(qū)、迎煙區(qū)和背煙區(qū)3個區(qū)域。迎煙區(qū)和背煙區(qū)壁厚均明顯減薄，但背煙區(qū)減薄更加明顯，表面結(jié)焦現(xiàn)象更加嚴(yán)重，附著物厚度更厚。取樣管管壁中間區(qū)壁厚減薄情況略好于迎煙區(qū)，外表面整體仍保持圓弧狀形貌。背火側(cè)外表面無明顯腐蝕現(xiàn)象。取樣管的內(nèi)表面光滑無明顯腐蝕現(xiàn)象，且內(nèi)徑仍為規(guī)則圓形。取樣管向火側(cè)管壁減薄最嚴(yán)重位置壁厚僅為3.80 mm，減薄量達原壁厚的40%左右。取樣管外徑隨向火側(cè)壁厚減薄量的增加而減小。初步判斷向火側(cè)壁厚減薄是由腐蝕所致。

圖1 樣管宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用OBLF QSN750直讀光譜儀，對取樣管進行化學(xué)成分分析試驗，分析結(jié)果見表1。

表1 管子化學(xué)成分 %

由表1可以看出：管子化學(xué)成分符合ASME SA-210M—2019 《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管子》對SA-210MGr.C管材的規(guī)定。

1.3 硬度檢測試驗

采用TH300非便攜式洛氏硬度計，進行取樣管的硬度檢測試驗，該硬度檢測試驗在管子的橫截面上進行，因此管子外表面的附著物對檢測過程沒有影響，分析結(jié)果見表2。

表2 樣管硬度檢測結(jié)果

由表2可以看出：管子硬度符合ASME SA-210M—2019對SA-210MGr.C管材的規(guī)定。

1.4 金相檢驗

對管子截面試樣進行粗磨、細(xì)磨、拋光后，采用硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用AXIOVERT 200MAT金相顯微鏡，進行取樣管微觀組織觀察(見圖2、圖3)。由圖2、圖3可以看出：取樣管各位置母材金相組織均為鐵素體+珠光體，沒有球化現(xiàn)象，晶粒較為均勻，約為8.0級，各位置晶粒度相差不大，并未發(fā)現(xiàn)異?；蛎黠@的過熱組織，向火側(cè)外表面殘留腐蝕附著物最厚可達273 μm。

圖2 取樣管顯微組織

圖3 取樣管向火側(cè)腐蝕層厚度

1.5 掃描電鏡(SEM)/能譜分析儀(EDS)分析

采用Apollo300 SEM和QUANTAX EDS對取樣管外壁腐蝕產(chǎn)物形貌進行分析觀察。

圖4和圖5為附著物內(nèi)表面(與水冷壁管壁接觸側(cè))及附著物外表面(與煙氣接觸側(cè))的EDS分析結(jié)果。

圖4 腐蝕物內(nèi)表面EDS分析結(jié)果

圖5 腐蝕物外表面EDS分析結(jié)果

由圖4、圖5可以看出：取樣管向火側(cè)外表面附著物較厚，附著物外層結(jié)構(gòu)較疏松，呈蜂窩狀，靠近管壁處附著物較致密。附著物的化學(xué)成分主要為鐵、氧及硫元素，并含有一定量的鈉、硅、鋁元素，以及少量的鈣和鎂等元素。

2 討論與分析

2.1 試驗結(jié)果分析

由宏觀觀察及試驗分析結(jié)果可知，取樣管的化學(xué)成分、硬度符合ASME SA-210M—2019對SA-210MGr.C管材的規(guī)定。取樣管各位置母材的金相組織符合SA-210MGr.C管材的特征。取樣管未發(fā)生明顯的形變，取樣管向火側(cè)呈現(xiàn)與煙氣走向有關(guān)的不均勻減薄。取樣管外徑隨向火側(cè)壁厚減薄量的增加而減小，判斷向火側(cè)壁厚減薄為腐蝕所致。取樣管向火側(cè)外表面附著物外層呈較疏松的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，判斷其主要為鐵的氧化物與硫化物。取樣管內(nèi)層附著物則結(jié)構(gòu)較致密，判斷其主要成分為硫酸鹽。通過腐蝕產(chǎn)物判斷取樣管管壁向火側(cè)發(fā)生的腐蝕形式為高溫硫腐蝕。

2.2 腐蝕原因分析

煤粉鍋爐中煙氣側(cè)水冷壁由于高溫氧化作用會形成三層連續(xù)保護膜(由外向內(nèi)依次為氧化鐵、四氧化三鐵、氧化亞鐵)[1]，保護膜的存在會對水冷壁管壁起到一定的保護作用，但高溫環(huán)境下水冷壁仍頻繁發(fā)生硫腐蝕現(xiàn)象，主要包括硫單質(zhì)腐蝕、硫化物腐蝕及硫酸鹽腐蝕等類型[2]。

另外，煤粉鍋爐水冷壁向火側(cè)結(jié)渣過程與煙氣流動及溫度分布有密切關(guān)系，煙氣流動時會在水冷壁管子的背煙區(qū)域形成漩渦區(qū)，該區(qū)域不易受到大直徑灰粒的沖刷，有利于積灰層的增長及熔融狀態(tài)的煤灰顆粒的附著。因此，積灰及結(jié)渣會先在水冷壁管子背煙區(qū)發(fā)生，并逐步聚集至管子外壁中間區(qū)、迎煙區(qū)，最后與另一根管子的背煙區(qū)附著物相連。高溫作用下附著物快速燒結(jié)和結(jié)焦，致使吹灰器清除困難。因此，形成了水冷壁管子向火側(cè)外壁迎煙區(qū)、中間區(qū)及背煙區(qū)腐蝕程度不同的現(xiàn)象。

取樣管向火側(cè)腐蝕為不均勻腐蝕，判斷取樣管外表面發(fā)生腐蝕、管壁減薄的主要原因是向火側(cè)兩側(cè)區(qū)域結(jié)渣嚴(yán)重，且附著層內(nèi)富集大量硫化物及硫酸鹽等腐蝕介質(zhì)，使該區(qū)域發(fā)生腐蝕。此外，取樣管位于燃燒器附近的角部區(qū)域，該區(qū)域易處于還原氣氛，會導(dǎo)致灰熔點溫度下降和灰沉積過程加快，并產(chǎn)生腐蝕性的自由硫原子，進而加快腐蝕和結(jié)焦。

3 結(jié)語

該鍋爐水冷壁SA-210MGr.C取樣管局部減薄的主要原因為煙氣中的堿金屬和硫化物反應(yīng)形成的堿金屬硫酸鹽與煙氣中的灰分及熔融態(tài)煤灰顆粒黏結(jié)，形成水冷壁管子外表面富含硫酸鹽的結(jié)焦附著物，附著物及煤粉內(nèi)黃鐵礦受熱分解出的自由硫原子與管壁外層保護膜及基體發(fā)生了一系列的腐蝕反應(yīng)，造成了管壁嚴(yán)重的高溫硫腐蝕，導(dǎo)致水冷壁向火側(cè)外壁不斷減薄。目前，尚未發(fā)現(xiàn)有效避免水冷壁外壁高溫硫腐蝕的措施，但是可以通過提高用煤品質(zhì)、調(diào)整鍋爐燃燒方式或涂刷耐高溫材料等方式延緩或減輕發(fā)生高溫硫腐蝕給鍋爐水冷壁帶來的危害。