火力发电厂锅炉水冷壁管氢腐蚀爆管分析.doc

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情况 180×c）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180×d）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 180×4 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GB5310－1995《高压锅炉用无缝钢管》标准对20G钢的要求化学成分（%）CMnSPSi管样0.210.550.0260.0230.26GB5310-19950.17~0.240.35~0.65≤0.030≤0.0300.17~0.374.2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σs(MPa)强度极限σb(MPa)延伸率δ(%)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析数据看，腐蚀产物主要是Fe3O45 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，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： 3Fe＋4 H2O→Fe3O4＋8[H]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，继而造成氢腐蚀发生的化学反应如下： 氢分子与钢中渗碳体发生反应： 2H2＋Fe3C→3Fe＋CH4氢分子与钢中游离碳发生反应： 2H2＋C→CH4 氢原子与钢中游离碳发生反应： 4[H]＋C→CH4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1.8×105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： 3Fe＋6NaOH→3Na2FeO2＋6[H] 3Na2FeO2＋4 H2O→Fe3O4＋6 NaOH＋2[H] 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： Fe＋2H＋→Fe2＋＋2H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 6 页。