電站鍋爐水冷壁管腐蝕失效分析

程明輝 劉 杰

（浙江省特種設備檢驗研究院 杭州 310000）

近年來由于鍋爐水冷壁管失效引發的事故時有發生，對鍋爐機組的安全經濟運行構成了嚴重的危險。除了管材材質和焊接質量的問題外，腐蝕性介質的腐蝕是產生水冷壁爆漏的主要誘發因素。

某熱電廠一臺循環流化床UG-130/5.3-M6型鍋爐，膜式水冷壁規格為φ60mm×5mm，材質是20G，累計運行時間達60000余h，近年來發生多起水冷壁爆管事故。

為探究事故成因，在宏觀分析的基礎上取水冷壁管內壁向火側局部腐蝕的管段進行理化分析，把腐蝕孔洞區域3等分為#1、#2和#3試樣。對#1和#3試樣橫截面經粗磨、精磨、拋光、腐蝕(4%硝酸酒精溶液)后觀察金相組織，對#1和#2試樣橫截面觀察掃描形貌，同時對剝落的腐蝕產物進行XRD成分分析和能譜分析。

1 宏觀分析

檢查中發現多根高溫區水冷壁管向火側的管內壁發生局部腐蝕，背火側內壁無腐蝕現象。腐蝕管段位于水冷壁前墻，靠爐右中部。水冷壁管向火面內壁腐蝕的宏觀形貌如圖1所示，可以看出，內壁形成局部腐蝕坑，腐蝕產物外表面呈層狀剝落，整體呈灰黑色，此外，管內壁均勻分布點蝕坑。

2 金相分析

圖2為#1試樣500倍光學顯微鏡下橫截面腐蝕段顯微組織形貌。從中可以看出母材顯微組織為鐵素體+珠光體，珠光體均勻分布于鐵素體基體上，晶粒度平均為10級；腐蝕產物呈現分層現象，腐蝕分為兩個階段，緊貼著母材的是腐蝕產物A，然后是腐蝕產物B，可以看出A、B之間結合不緊密，存在微孔。

圖1 水冷壁管內壁形貌

圖2 500X下#1橫截面腐蝕段顯微組織形貌

圖3、圖4為不同放大倍數下#3試樣腐蝕段顯微組織形貌，圖3顯示試樣外表面有輕微脫碳現象，脫碳層深度約為0.3mm。圖4顯示腐蝕區域A內部存在斷層，母材顯微組織為鐵素體+珠光體，分布比較均勻，晶粒度為10級。

圖3 50X下#3橫截面腐蝕段顯微組織形貌

圖4 200X下#3橫截面腐蝕段顯微組織形貌

3 XRD分析

XRD分析結果表明其特征峰值與Fe3O4的特征峰值吻合，Fe3O4含量約100%，見圖5。

圖5 試樣XRD特征峰值和Fe3O4標準特征峰值對比圖

4 掃描電鏡分析

圖6、圖7、圖8顯示A腐蝕產物和母材之間存在孔洞，說明腐蝕產物和基體之間的結合并不緊密。

圖9、圖10、圖11顯示腐蝕產物A內部存在開裂現象。

圖6 #1試樣100X橫截面掃描形貌

圖7 #1試樣500X橫截面掃描形貌

圖8 #1試樣2000X橫截面掃描形貌

表1 A、B處元素分析

圖9 #2試樣100X橫截面掃描形貌

圖10 #2試樣500X橫截面掃描形貌

圖11 #2試樣5000X橫截面掃描形貌

5 能譜分析

圖12為腐蝕產物橫截面線掃描圖，從線掃描可以推斷，緊貼金屬壁面的黑色腐蝕產物是FeO。

6 綜合分析

從腐蝕形貌上看該腐蝕形態屬于點蝕，點蝕多發生在表面生成氧化膜或鈍化膜的金屬材料上[1]，水冷壁管里有大量氧和一定量的氯離子，是產生點蝕的必要條件[2]。在氧化劑的作用下，由于腐蝕性陰離子的吸附富集作用，金屬的表面膜(如氧化膜)會在特定點發生溶解而形成蝕孔。

腐蝕機理如下：

通過能譜分析可以看出該腐蝕產物中含有微量的Cl-，而金相中的腐蝕劑是采用4%硝酸酒精，不含Cl-，因此可以判斷出所含Cl-為介質所帶入。Cl-具有促進鐵氧化的能力，當Cl-濃度較低時，反應主要在水冷壁基體表面進行，電化學反應生成Fe(OH)2，Cl-作為催化劑使氧化速率加速。反應生成了Fe(OH)2，繼而生成粘著性的Fe3O4，疏松的堆積在蝕坑周圍或進人水中。

圖12 腐蝕產物橫截面線掃描

化學反應方程式：

氫氧化亞鐵沉淀的水溶液加熱到70℃以上，進行緩慢的氧化[3]，就可以得到四氧化三鐵。

該鍋爐的運行記錄顯示鍋爐運行時水質正常，但因生產原因該鍋爐兩年來只運行了約2800h，啟停2次，大部分時間處于停爐保養狀態，停爐期間采用余熱烘干法進行保養，放水烘干后未加干燥劑。該廠5臺鍋爐系統為母管制運行，查閱外檢報告得知該臺鍋爐的主蒸汽閥門和集汽集箱向空排汽閥存在內漏現象，導致鍋爐停爐保養期間不能完全與外界系統隔離，鍋爐烘干之后外界空氣與水蒸氣仍然通過向空排汽閥和主蒸汽閥門泄漏到鍋爐系統內，導致管路內進入水分與空氣，由于沒有干燥劑，水分與空氣便形成水膜覆蓋在水冷壁管表面上，從而引起氧腐蝕。根據DL/T 956—2005《火力發電廠停（備）用熱力設備防銹蝕導則》的要求，放水結束后，應立即關閉空氣門、排汽門和放水門，封閉鍋爐。

7 結論

水冷壁管氧腐蝕的主因是停爐期間保養不當[4]，閥門泄漏導致系統不能完全與外界隔離，導致水冷壁管內壁產生局部氧腐蝕[5]，水中殘存的Cl-作為催化劑加快了氧腐蝕速度。生產實踐證明，鍋爐的氧腐蝕大多是在停產期間造成的，因此應采取合理的保養措施，根據DL/T 956—2005《火力發電廠停（備）用熱力設備防銹蝕導則》的要求，鍋爐防銹蝕方法的主要選擇原則是：機組的參數和類型，機組給水、爐水處理方式，停（備）用時間的長短和性質，現場條件，可操作性和經濟性，考慮到本臺鍋爐采用母管制運行，宜采用鄰爐熱風烘干法進行保養，熱爐放水后，輔以運行鄰爐熱風，繼續烘干，盡可能杜絕水分和空氣進入系統內。

[1] 時軍波，徐娜，陳立宗，等.水冷壁管腐蝕破壞原因分析[J].熱加工工藝，2013，42(16)：212-214.

[2] 李景平，周年光，霍金仙，等.高溫爐水Cl-對碳鋼水冷壁管的腐蝕行為研究[J].材料保護，2001，34(08)：21-22.

[3] 蔡志剛，謝濤.鍋爐管的高溫腐蝕與滲鋁防護[J].熱力發電，1996（01）：3-4.

[4] 張青.淺談鍋爐運行及維護保養工作[J].能源與環境，2 007（0 4）：109-111.

[5] 吳慧.做好鍋爐安全運行及維護保養的重要性[J].硅谷，2 008（0 4）：46-47.