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蓋紅德  王建華  戴家輝  馬加朋  郭雷  何山  張建華

(1．山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院  濟(jì)南  251010）

(2．山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院濰坊分院  濰坊261000)

  摘要：通過(guò)宏觀檢查、化學(xué)成分分析、機(jī)械性能測(cè)試、金相組織及垢樣成分分析等方法對(duì)某電廠YG-240／9. 8-M1型鍋爐的水冷壁爆管原因進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明管內(nèi)壁有多處腐蝕凹坑，爆口處存在脫碳層和大量微裂紋，最后得出本次水冷壁爆管原因是氫損傷，并提出了針對(duì)性的預(yù)防措施。

  關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐水冷壁爆管氫損傷

  某熱電廠一臺(tái)YG-240/9.8-M1型單汽包、自然循環(huán)的循環(huán)流化床鍋爐，采用由膜式壁、高溫旋風(fēng)分離器、返料器、流化床組成的循環(huán)燃燒系統(tǒng)，爐膛為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，過(guò)熱器分Ⅲ級(jí)布置，中間設(shè)Ⅱ級(jí)噴水減溫器，尾部設(shè)三級(jí)省煤器和一、二次風(fēng)預(yù)熱器。其爐膛是由≯60 x5鋼管和20.5×6mm扃鋼焊制而成的膜式壁管組成，管子材質(zhì)為20G。本次水冷壁爆管發(fā)生在由后向前數(shù)第26根管右側(cè)水冷壁管，部位在爐膛下部衛(wèi)燃帶以上80cm的高熱負(fù)荷區(qū)域。該爐至爆管時(shí)累計(jì)運(yùn)行約26000h。

  為確保該鍋爐長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，筆者對(duì)其爆管的原因進(jìn)行了分析。本文主要通過(guò)宏觀檢查、化學(xué)成分分析、機(jī)械性能測(cè)試、金相分析及能譜分析等方法對(duì)爆管的樣管進(jìn)行分析，確定本次爆管原因，并提出了相關(guān)措施。管子化學(xué)成分在FOUNDRY-MASTER Compact型臺(tái)式光譜儀上進(jìn)行；室溫拉伸試驗(yàn)在MTS880型電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；在OLYMPUS GX71型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相分析；垢樣能譜分析在裝有EDAX能譜儀附件的Fei Quanta 400HV型掃描電子顯微鏡下進(jìn)行。

1試驗(yàn)分析

1.1宏觀形貌檢查

水冷壁爆口部位的宏觀形貌見(jiàn)圖1。從圖1(a)中可以看出爆口外表面無(wú)腐蝕磨損痕跡爆口呈縱向開(kāi)裂，縱向長(zhǎng)256mm，邊緣粗糙且無(wú)明顯減薄，管徑未見(jiàn)明顯脹粗，為脆性斷裂爆口；爆口周圍內(nèi)表面粗糙不平，局部無(wú)規(guī)則分布有多個(gè)大面積腐蝕凹坑，腐蝕凹坑深淺不一，凹坑處管壁最薄約2mm，部分腐蝕凹坑上覆蓋有大量致密黑色鱗片狀垢層(見(jiàn)圖1(b)和圖1(c))。

1.2化學(xué)成分分析

對(duì)爆口周圍管子做化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，管子的化學(xué)成分符合GB 5310-2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)20G鋼管的要求，材質(zhì)無(wú)異常。

1.3力學(xué)性能測(cè)試

取遠(yuǎn)離爆口且無(wú)腐蝕凹坑的背火側(cè)管子進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，管子的力學(xué)性能符合GB 5310-2008對(duì)20G鋼管要求(410MPa～550MPa)，表明無(wú)腐蝕部分管子抗拉強(qiáng)度正常。

1.4微觀組織分析

爆口及其附近金相組織見(jiàn)圖2。爆管背火側(cè)的金相組織正常，為鐵索體+珠光體組織，未見(jiàn)微裂紋，具體見(jiàn)圖2a。從圖2b和圖2c中可以看出，爆口處可見(jiàn)由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展的微裂紋，微裂紋沿晶界擴(kuò)展，微裂紋上又出現(xiàn)分支裂紋，裂紋內(nèi)部沒(méi)有腐蝕產(chǎn)物，裂紋附近金相組織形態(tài)未見(jiàn)明顯變化。圖2d、圖2e及圖2f為管子內(nèi)壁腐蝕凹坑下的拋光圖和金相組織圖。從圖中可以看出，腐蝕凹坑下存在嚴(yán)重脫碳層，且在縱向存在大量微裂紋。

1.5垢樣成分分析

對(duì)爆口附近的管子內(nèi)壁垢層進(jìn)行能譜分析，垢層成分見(jiàn)圖3。從圖中可以看出，垢層中主要有O、Fe、C、Mn、P等元素，其中O來(lái)自于鐵的氧化物，F(xiàn)e、C、Mn來(lái)源于基體金屬材料，Na、P來(lái)自于水處理中加入的磷酸鹽。

2爆管原因分析

  管子的化學(xué)成分和機(jī)械性能分析顯示管子符合標(biāo)準(zhǔn)要求；爆口宏觀形貌表明其為典型的脆性開(kāi)裂；金相組織分析發(fā)現(xiàn)在管子內(nèi)壁垢層下存在大量微裂紋，且內(nèi)壁有明顯的脫碳層能譜分析未發(fā)現(xiàn)垢樣中有異常元素，以上各項(xiàng)分析結(jié)果表明爆管是由氫損傷導(dǎo)致的。

  本次爆管發(fā)生在爐膛下部衛(wèi)燃帶以上80cm區(qū)域，該區(qū)域熱負(fù)荷高，管外壁溫度高，管內(nèi)工質(zhì)處于由水向汽水混合物轉(zhuǎn)變過(guò)程，因蒸汽溶鹽能力非常小，所以該部位爐水中的鹽被濃縮，因而其水質(zhì)逐漸惡化，導(dǎo)致雜質(zhì)和腐蝕物等易在該部位積聚，使積聚部位傳熱惡化，產(chǎn)生局部垢下濃縮。垢下濃縮使得垢下的氧化鐵保護(hù)膜被破壞，發(fā)生垢下反應(yīng)：4H20+3Fe=Fe304+8[H]，加快內(nèi)壁金屬腐蝕速度，生成的原子態(tài)氫化學(xué)活性高，又因垢層阻擋難以擴(kuò)散到汽水混合物中，因而其向金屬基體擴(kuò)散，與金屬組織中的滲碳體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：Fe3C+4[H]=3Fe+CH4，造成微觀組織脫碳，所生成的甲烷分子由于擴(kuò)散系數(shù)低，聚集于晶界處，產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力，引起晶界開(kāi)裂，所以垢層下可看到大量微裂紋。隨著氫損傷的加劇，晶間裂紋不斷生成長(zhǎng)大并連接起來(lái)，使基體強(qiáng)度、韌性及塑性等性能急劇降低，最終導(dǎo)致爆管。

3預(yù)防措施

  為避免氫損傷的再次發(fā)生，確保鍋爐的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，根據(jù)氫損傷產(chǎn)生的特點(diǎn)，需要采取以下措施進(jìn)行防范：

  1)加強(qiáng)金屬監(jiān)督。采取測(cè)厚、X射線照相及金相抽查等方法，定期對(duì)易發(fā)生氫損傷區(qū)域的水冷壁管進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)更換已發(fā)生氫損傷的管段，并在更換結(jié)束后進(jìn)行化學(xué)清洗。

  2)加強(qiáng)化學(xué)監(jiān)督。嚴(yán)格控制給水品質(zhì)，避免因給水不合格導(dǎo)致管內(nèi)結(jié)垢，引起垢下濃縮；加強(qiáng)鍋爐排污管理，確保爐水品質(zhì)合格；定期進(jìn)行化學(xué)清洗，除去管內(nèi)沉積物．做好停爐保護(hù)，防止停爐期間發(fā)生腐蝕。

  3)改善爐內(nèi)燃燒環(huán)境。通過(guò)調(diào)整燃燒、合理配風(fēng)，降低管壁溫度，防止超溫；防止鍋爐長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，避免因水冷壁管水動(dòng)力循環(huán)不穩(wěn)定，導(dǎo)致個(gè)別管子產(chǎn)生循環(huán)停滯現(xiàn)象。

  4)嚴(yán)格運(yùn)行管理。要求司爐人員嚴(yán)格按照規(guī)程操作，避免人為操作引起的安全隱患。

4結(jié)論

  本次爆管后，電廠技術(shù)人員對(duì)鍋爐采取了以上預(yù)防措施，經(jīng)過(guò)半年的實(shí)際運(yùn)行，目前鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)氫腐蝕現(xiàn)象，說(shuō)明以上措施合理有效，對(duì)相關(guān)鍋爐預(yù)防氫腐蝕有一定的參考作用。