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    鍋爐水冷壁爆管的原因是多方面的，就氫損壞而言，又有酸腐蝕、堿腐蝕、水蒸汽腐蝕等多種形式。由于工質、材質及運行工況的不同，各種腐蝕形式交錯發(fā)生，本文通過對某廠410 t/h鍋爐水冷壁爆管原因分析，確認了引發(fā)氫損壞的主要因素是堿性腐蝕，現(xiàn)將分析過程介紹如下。
1、爆管狀況及受損爐管的位置分布
1.1爆管狀況
    某電廠鍋爐是HG - 410/9.8 - YM12型高壓自然循環(huán)固態(tài)排渣煤粉爐，于1993年投入運行。該爐爐水采用協(xié)調(diào)磷酸鹽處理，爐水磷酸根控制標準為2～10 mg[L，給水采用加氨調(diào)節(jié)pH值方式。該廠在2000年底及以后接連發(fā)生3次爆管事故，見表l(n表示根數(shù)，爆口標高均在20 m左右)。
    發(fā)生第1次爆管后，經(jīng)檢測分析認為爆口處原金屬組織有缺陷。發(fā)生第3次爆管后，吉林省電力科學研究院組織有關專業(yè)人員到現(xiàn)場了解情況，根據(jù)實際情況提出了調(diào)整鍋爐燃燒及爐水加藥濃度等臨時措施。2001年7月10～25日，該機組進行擴大性小修，發(fā)現(xiàn)有48根水冷壁管存在缺陷（現(xiàn)已全部更換），有的腐蝕已相當嚴重。2001年7月25日進行修后水壓試驗，發(fā)現(xiàn)2根水冷壁管發(fā)生漏泄，位置是從左墻南數(shù)第59根和第64根，標高均在20 m左右，經(jīng)查2根水冷壁管各有一處腐蝕陷坑，并附有大量的腐蝕產(chǎn)物。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
1.2受損爐管的位置分布
    從2000年12月17日到2001年7月25日，發(fā)現(xiàn)該爐共有53根水冷壁管有缺陷，在前、后、左、右墻分布數(shù)量22、12、12、7根。從位置分布看，爐管損壞在四側墻均有發(fā)生，但標高主要集中在14～22 m，屬熱負荷較高的部位，說明熱負荷對腐蝕有一定的影響。
2、鍋爐燃燒狀況調(diào)查
    從1993年投產(chǎn)至今，鍋爐燃用煤質一直較差，其低位發(fā)熱量偏低，水分和灰分較高，使三次風風量和風速高于設計值，且無任何監(jiān)視手段。在2套制粉系統(tǒng)同時運行時，大量高速、低溫的三次風噴入爐膛，對燃燒產(chǎn)生以下不利影響：
    a．降低爐膛火焰溫度，著火推遲；
    b．三次風穿入火炬，擾亂了爐內(nèi)正常的空氣動力場，引起氣流貼壁現(xiàn)象；
    c．三次風含粉量較多，使得火焰拖長。
    1997年空氣動力場試驗表明，切圓偏向左側爐墻，使得左側爐墻熱負荷偏高。從損壞爐管分布情況看，左墻偏左損壞的水冷壁管根數(shù)并不是最多，但爆管位置多集中在標高20 m左右，說明局部熱負荷的影響要高于整體熱負荷的影響。
3、爆口的宏觀與微觀檢查分析
3.1宏觀檢查結果
    水冷壁管爆口的宏觀形貌見圖1，爆口位于向火側，呈“窗口”狀，爆口長80 mm，寬40 mm，爆口附近管徑?jīng)]有脹粗，呈脆性開裂。爆口附近管內(nèi)向火側有明顯的腐蝕區(qū)，腐蝕區(qū)內(nèi)表面光滑，呈黑色，腐蝕較為均勻，腐蝕減薄1. 5～2.0 mm，腐蝕產(chǎn)物可用銳器剝離，有氣孔和夾層（后2次爆破管管樣腐蝕產(chǎn)物已在爆管時飛出）。腐蝕區(qū)以外的內(nèi)表面為厚度約0.2 mm的棕紅色垢層，表面光滑。3次爆管宏觀特征相同。對第3次爆管的鄰管進行了金相檢驗，發(fā)現(xiàn)其向、背火側金相組織均為正常組織。
3.2微觀檢查及試驗分析
3.2.1微觀檢查
    a．從爆口處管內(nèi)壁取樣，通過浸蝕前觀察發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁存在大量裂紋，裂紋內(nèi)無腐蝕產(chǎn)物，見圖2a；
    b．從爆口處邊緣（管內(nèi)壁）取樣觀察，內(nèi)壁存在大量沿晶裂紋，裂紋周圍脫碳，珠光體明顯減少，見圖2b；
    c．從爆口邊緣處橫截面取樣觀察，管內(nèi)壁有脫碳現(xiàn)象，脫碳程度由內(nèi)壁向外壁逐漸減少，脫碳層深度為0.5 mm，橫截面脫碳層內(nèi)存在沿晶裂紋，裂紋在脫碳層內(nèi)產(chǎn)生，脫碳層至管外壁金相組織正常，為帶狀珠光體十鐵素體，見圖2c;
    d．距爆口50 mm處水冷壁管向火側內(nèi)壁金相組織為帶狀珠光體十鐵素體，無裂紋及脫碳層存在，組織正常，見圖2d。
3.2.2力學性能試驗分析
    在距爆口30～250 mm處取樣進行力學性能試驗，結果見表2分別表示屈服極限、強度極限和延伸率)。從金屬檢驗結果看，爆口區(qū)存在明顯的脫碳現(xiàn)象和沿晶裂紋，但爆口附近部位材料的力學性能未見下降。
4、腐蝕產(chǎn)物的宏觀結構與結垢化學分析
4.1宏觀結構
    由于在爆管發(fā)生的同時，爆口處的大量腐蝕產(chǎn)物隨之飛出，所以檢查第1、2、3次爆管管樣時，沒有檢查到腐蝕坑及腐蝕產(chǎn)物的具體形狀。擴大性小修期間檢查出的以及修后水壓試驗發(fā)現(xiàn)的管樣為分析工作提供了有力的物證，見圖3。圖3中a、b是同一根管樣，圖b是將圖a管樣的部分腐蝕產(chǎn)物剝離后露出白色鹽類濃縮物的照片。
    用機械方法去除腐蝕產(chǎn)物，可見銀白色的金屬基體，光滑但不平，明顯可見彎彎曲曲的小溝道；靠近基體的是黑色的Fe304層，厚約0.1～0.2 mm；在Fe304層的上方是若干個大約15 mm×10 mm×6 mm的Fe304塊，經(jīng)分析Fe304占99%以上，P205只占1%左右；Fe304塊之間是白色至微黃色的鹽類沉積物，腐蝕產(chǎn)物的最表層呈棕紅色，明顯可見微小氣孔，表層的局部地方有很多微小的黃亮色顆粒。經(jīng)中國科學院長春應用化學研究所電子能譜分析，鹽類沉積物的主要成分為磷、鈉、鐵，另外有少量的硅、鈣、銅；黃亮色顆粒主要是銅、鐵、硅的化合物，并且大部分是單質銅。
4.2結垢化學分析
    根據(jù)檢查分析，水冷壁向火側結垢量平均為290 g／m2，垢厚0.3～0.5mm，呈棕紅色，F(xiàn)e203、Cu0、P205、Ca0+Mg0的質量分數(shù)分別為58. 78%、23. 58%、8.27%、5.05%。另外發(fā)現(xiàn)一處腐蝕區(qū)的腐蝕產(chǎn)物脫落后又結上棕紅色垢層，垢層厚度約為非腐蝕區(qū)垢層厚度的1/3～2/3，該垢層為腐蝕產(chǎn)物脫落后結成，從厚度及腐蝕減簿情況可以初步斷定該區(qū)域的腐蝕主要發(fā)生在5a前。從擴大性小修割管情況看，有很多水冷壁管的垢層發(fā)生局部脫落，脫落垢層的直徑為3～10mm，這可能與垢質、鍋爐燃燒狀況等因素有關。
4.3歷年水質調(diào)查
    從歷年的所有水質指標分析進行統(tǒng)計，該爐爐水的大部分指標基本都處在合格范圍內(nèi)，但爐水R值偏離標準(2.2～2.8)較大，R值大于2.8的幾率較高，1994年全年爐水R值接近37%的數(shù)據(jù)在2.8以上。從歷史數(shù)據(jù)分析，爐水R值在1994～1995年嚴重超標，1996～1999年基本正常，而到2000年又出現(xiàn)超標現(xiàn)象，詳見圖5。
5、爆管機理分析
    從金屬檢驗結果看，爆口屬脆性開裂。脆性損壞現(xiàn)象就其含義來說，可包括苛性脆化、腐蝕疲勞和應力腐蝕破裂。脆性破裂和腐蝕穿孑L的明顯區(qū)別就是在爐管還有足夠的厚度時，即按壁厚計算還有安全裕度時，爐管發(fā)生了爆破。脆性破裂和過熱爆破的明顯區(qū)別在于爐管幾乎沒有蠕脹，爆口處管壁沒有明顯地減薄和塑性變形。脆性破裂的微觀特點是具有晶間或穿晶裂紋。
    結合晶間裂紋及脫碳現(xiàn)象進行分析，不難斷定最終導致金屬損壞的直接原因是氫損壞。形成氫損壞的原因只有3種可能，即酸腐蝕、堿腐蝕、水蒸汽腐蝕。酸腐蝕的腐蝕產(chǎn)物中應包含大量的磷酸亞鐵鈉，這與實際檢測結果(P205只占1%左右)不符。“Fe304是否為直接的腐蝕產(chǎn)物”是斷定和區(qū)分堿腐蝕與水蒸汽腐蝕的必要條件之一，F(xiàn)e304是水蒸汽腐蝕的直接產(chǎn)物，而堿腐蝕的直接產(chǎn)物是亞鐵酸鈉，但亞鐵酸鈉不穩(wěn)定，最終產(chǎn)物是Fe304，因此Fea0。是堿腐蝕的間接產(chǎn)物。直接產(chǎn)物與基體接合緊密，而間接盧物應與基體間有一定的疏松度。事實上本次分析的腐蝕產(chǎn)物中大部分Fe304屬間接產(chǎn)物，與堿腐蝕特征相吻合。腐蝕產(chǎn)物最底部有一簿層致密的Fe304，說明該處也曾發(fā)生腐蝕產(chǎn)物下的水蒸汽腐蝕，主要是由于水冷壁爆管的最后階段因腐蝕產(chǎn)物的隔熱所至。堿性腐蝕是爆管的最主要原因。
    從腐蝕產(chǎn)物脫落區(qū)域的結垢層分析，腐蝕主要產(chǎn)生于5a前，正好與爐水R值嚴重超標時間相吻合。從爆管發(fā)生的時間來分析，第2次爆管與第1次爆管間隔46 d，第3次爆管與第2爆管間隔15 d，時間間隔急劇縮短，而當將磷酸鹽加藥濃度進行調(diào)整后140 d再未發(fā)生爆管，盡管水壓試驗發(fā)現(xiàn)的2根水冷壁管已腐蝕相當嚴重。事實證明，最初的腐蝕產(chǎn)物是爐水R值長時間過高而產(chǎn)生的，有了腐蝕產(chǎn)物后，多年來一直存在垢下腐蝕，只是因為爐水水質尚好，幾年來沒有發(fā)生連續(xù)爆管，2000年爐水R值再次超標時，這個問題的嚴重性再次表現(xiàn)出來，由此可見爐水R值的嚴格控制是多么重要。
    據(jù)華北電力科學研究院出示的資料《火力發(fā)電廠的水質事故分析與處理》說明，高參數(shù)汽包鍋爐水冷壁管局部熱負荷一般都較高，水冷壁管內(nèi)近壁層爐水急劇汽化，管壁上若有沉積物，沉積物下面的爐水會高度濃縮。因為當溶液的Na+/POi-摩爾比超過2.8時，在高熱負荷的水冷壁管內(nèi)析出固相物后，余下的溶液中Na+/POi-摩爾比增加。如果溶液中Na+/PO摩爾比增加到2.8以上，即液相中出現(xiàn)游離NaOH，含有游離堿的爐水，在沉積物和腐蝕產(chǎn)物下受熱濃縮，當爐水中游離NaOH質量濃度僅僅為1～5mg/L時，而管壁沉積物下NaOH的質量分數(shù)可達5%～10%，使貼近管壁處總有一層高濃度的爐水膜存在。受強熱時，爐管遭受腐蝕，腐蝕過程中放出氫：
    由于高溫下氫氧化鈉的溶解度非常大，爐水在附著物下蒸發(fā)時，其它鹽類將以固體形式析出，氫氧化鈉將以熔融體狀態(tài)高度濃縮。腐蝕產(chǎn)物亞鐵酸鈉不穩(wěn)定，容易水解，所以最終的腐蝕產(chǎn)物是磁性氧化鐵和氫。將上面2個反應式相加，可以看出氫氧化鈉僅在其中起媒介作用，促使金屬腐蝕。當受熱面一旦形成腐蝕產(chǎn)物，爐水滲入其中產(chǎn)生瞬時的高度濃縮，造成爐管腐蝕，腐蝕產(chǎn)物的積累又加重了爐水的滲入和蒸發(fā)濃縮現(xiàn)象，促進了腐蝕過程。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
    事實證明，對于堿腐蝕過程來說有意義的是管壁溫度和局部熱負荷，與受熱面的平均熱負荷關系不大。堿性腐蝕的又一特征，距爆口略遠處管子的腐蝕情況減輕，金屬的強度也沒有顯著改變。背火側沒有明顯腐蝕，其強度和新的材料相同。爆口附近的微觀組織具有沿晶粒發(fā)展的裂紋，在裂紋附近有脫碳現(xiàn)象。有些裂紋是穿晶的，呈魏氏組織。當金屬的脫碳和晶間裂紋發(fā)展到足夠深時，尤其是晶間裂紋互相溝通起來時，爐管再也經(jīng)受不住運行壓力的作用，而突然發(fā)生爆破。
6、應采取的措施及結論
    1994年～1995年期間該爐曾因爐水R值長時間超標而發(fā)生嚴重的堿性腐蝕并局部形成大量的腐蝕產(chǎn)物，2000年堿性腐蝕又有所“抬頭”。腐蝕產(chǎn)物下鹽類濃縮，并且當腐蝕產(chǎn)物的隔熱效果達到一定程度時便在腐蝕產(chǎn)物與基體間形成“氣室”，其中的高溫蒸汽與鐵直接反應產(chǎn)生Fe304，并產(chǎn)生氫。堿腐蝕產(chǎn)生的氫以及汽水腐蝕產(chǎn)生的氫會加劇水冷壁管金屬的滲氫。金屬滲氫的結果最終使水冷壁管發(fā)生脆性損壞。這是爐水水質不良引起高熱負荷水冷壁發(fā)生嚴重腐蝕的一種典型情況。目前解決問題的措施是徹底清除原有腐蝕產(chǎn)物，通過試驗確定并調(diào)整磷酸鹽加藥量，嚴格控制R值。