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某火电厂锅炉水冷壁氢脆爆管原因分析
作者：陶向前
来源：《科技视界》2018年第35期
【摘 要】本文运用热力设备中锅炉水冷壁的酸性腐蚀机理，寻找锅炉水冷壁氢脆爆管的原因，并提出防止氢脆的措施。
【关键词】氢脆；水冷壁；积垢；电化学反应；脱碳；酸性腐蚀
中图分类号： TM621.2 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）35-0208-002 DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.090
Cause Analysis of Hydrogen Embrittlement Tube Explosion in Water Wall of a Thermal Power Plant Boiler TAO Xiang-qian
（Huaihu Coal Electic Power Co.，Ltd Tianji Power Generation Factory， Anhui Huainan 232098， China）
【Abstract】This paper uses the acid corrosion mechanism of boiler water wall in thermal equipment to find out the causes of hydrogen embrittlement explosion of boiler water wall， and puts forward measures to prevent hydrogen embrittlement.
【Key words】Hydrogen brittle water wall fouling electrochemical reaction decarbonization corrosion 0 前言
热力发电设备中的锅炉水冷壁由于接触的工作物质是高参数，因而它们是比较容易产生腐蚀的。由于严重腐蚀而导致氢脆爆管也是常见的。所以讨论造成氢脆爆管的原因（主要是指外部因素），对防止水冷壁爆管非常必要。为了避免水冷壁氢脆爆管事故的再次发生，我们对某厂#6炉水冷壁氢脆的原因进行了分析探讨。 1 炉爆管的情况
某厂#6炉是SG—420/13.7—M418型超高压、单气鼓、自然循环、一次中间再热、储仓式煤粉炉，水冷壁采取φ60.3*7.1材质为STB42的光管焊扁钢组成的膜式水冷壁，分成14个循环回路。前后墙各四个共30*4*2=240根，左右墙各三个共2*（34+36+34）=208根，总计448根。后墙水冷壁上部由38根分叉管分成两路：一路形成折焰角，一路垂直上升起悬吊作用。
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整个受热面向下做自由膨胀。锅炉额定蒸发量为420t/h，饱和蒸汽压力为15.2Mpa，饱和蒸汽温度为343℃。于1993年3月3日移交试生产，至2018年10月已累计运行约100000小时，起停516次（1993年3月3日～2018年10月1日）。其间经历过七次大修，第七次大修从2017年11月7日开始～12月23日结束。
2018年10月24日，某厂#6锅炉水冷壁发生爆管，爆管位置为后墙标高29米水冷壁折焰角扩建端向固定端数#37管。#37爆管爆口面向炉内，管径无明显胀粗，爆口呈窗口状，上下各有一条宏观裂纹。从外壁看爆口为长条形，边缘厚钝，无塑性变形，为脆性断裂断口形貌。从内壁看，爆口与两端裂纹所对应的内壁处有腐蚀坑，腐蚀坑最长处235mm，最宽处45mm，爆口处因腐蚀而管壁厚度严重减薄，最薄处为3mm。 2 取样检验
为了进一步地分析情况，查找原因，金属专业对炉内有代表性的多个位置进行取样检验，结果如下：
a.金相检验：金相组织为珠光体+铁素体（P+F），晶粒度7～8级，呈带状组织。取样处剩余壁厚最小值约2.8mm。内壁布满了大量的晶间裂纹，晶间裂纹周向分布为取样宽度，径向深度平均为0.8～1.3mm。其中在试样中部一处管材流线突变处，晶间裂纹发展异常，径向深度达2.4mm，剩余有效壁厚不足0.4mm，几乎裂穿。存在不同程度的脱碳，脱碳区域与晶间裂纹分布区域相当。
b.腐蚀产物分析：经X射线结构分析表明，该腐蚀产物中的晶态物质主要为Fe3O4氧化物，具有明显的磁性。
c.垢样分析：从X射线光电子能谱四个垢样的试验分析中，可得知分析样品表面元素的化学状态。Fe为氧化铁，C为污染碳：CO32-与C-O。其中脱落腐蚀产物表面与内表面中Cu的化学状态为Cu2O、CuO、CuCO3，Zn为二价离子。大样品表面中Cu的化学状态为CuO、CuCl2，S的化学状态为SO32-或SO42-；小样品表面不含铜。大、小样品表面均含有一定比例的氯，其中小样品含氯量的原子百分比高达14.3%。垢样中的组元及组分如上表1所示： d.超声波检验：爆管后，经超声波检查218根水冷壁管，发现存在缺陷信号的根数为30根，出现缺陷的比例为13.76%。其中腐蚀发生在焊缝及其附近区域的根数为17个，占缺陷管比例为56.66%。这么高比例腐蚀现象发生在焊缝区域，一般是与腐蚀发生速率较高和腐蚀发生的选择性有关。
3 #6炉水冷壁产生氢脆的原因及机理
通过以上试验认为，#6锅炉的爆管失效是因为，当锅炉处于某个非稳定运行状态时，如冷态启动，在其炉水PH值可能低于7.5时，锅炉蒸发受热面的表面膜发生局部溶解破坏，钢铁表面处于活性溶解状态造成腐蚀；或没有进行停炉保护，或保护不当等，锅炉水冷壁管内在
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停用时与水或湿空气接触受空气中的O2、CO2等因素影响产生的停用腐蚀。一旦发生了上述保护膜破坏的情况，并发生腐蚀，下面几个腐蚀过程将同时发生，并相互促进，并在特定的系统条件下，加速腐蚀。有资料显示，尽管非稳态运行可能时间很短，但只要造成保护性氧化膜的破坏，在当炉水PH值恢复正常后，表面膜的重建要长达数十小时，所以危害十分大。 首先，由于金属表面保护膜的破坏，将引起金属电极电位的降低，就会形成以膜为阴极，裸露的金属为阳极，而发生局部阳极溶解，产生腐蚀坑，进而萌生腐蚀裂纹。与此同时，腐蚀坑与腐蚀裂纹处的壁面温度将升高，表面处于相对活化状态，给水中的铜（包括比铁的电极电位高的金属元素）将首先在此沉积，其积垢速度与自身含量及锅炉蒸发受热面热负荷的平方成正比。当高价态的铜沉积在水冷壁管上时，它们和水冷壁管起如下电化学反应： Cu2++Fe→Fe2++Cu
其结果是铜的高价氧化物得到电子而还原，水冷壁管的钢铁则因失去电子而发生阳极溶解腐蚀。铜的沉积又在其周围形成新的电化学腐蚀电池，加速了该区域的腐蚀进程。
其次，腐蚀的加剧将导致该处受热面的结垢，蒸发受热面上的结垢将使壁面温度进一步升高，这些附着物具有孔隙，炉水渗入其中将发生浓缩，并将产生腐蚀，导致导热性进一步下降。因此，宏观地、动态地说，可以认为在有附着物的管壁上，贴着一个吸满了炉水浓缩膜的海绵状附着物，使该处金属管不停地受到高浓度炉水液膜的侵蚀。
经X射线光电子能谱试验表明，分析管样中的腐蚀产物含有大量的氯原子组分，百分比含量最高达14.3%，说明凝结水中漏入了生水。在这种特定情况下，就会发生浓缩炉水中含有较多的M+Cl-，如MgCl2、CaCl2，这些金属盐会和水发生作用而水解生成盐酸，使水垢下聚积有很多H+离子，并使局部区域的PH值降到很低，发生水对金属的酸性腐蚀。又由于腐蚀附着物的影响，使水循环严重不良，壁面超温而发生析氢反应：3Fe+4H2O→Fe3O4+8[H]。上述在沉积物下生成的原子态氢无法扩散到汽水汇合区域，使金属管壁与沉积附着物间积累了大量氢。这些氢有一部分扩散到金属内部，和碳钢中的渗碳体发生如下反应：
Fe3C+4[H]→3Fe+CH4↑。反应生成的甲烷CH4，积聚在钢中，产生很大的局部内应力，促使晶粒沿晶界开裂形成晶间裂纹，使金属晶粒之间的联系遭到破坏，直接引起珠光体脱碳，金属的强度和塑性降低，在外力作用下发生脆性破坏。
综上所述认为：#6锅炉后墙水冷壁爆管是由酸性腐蚀而引起的氢脆爆管。 4 结论及预防措施
由于锅炉停、备用而没有可靠的防止腐蚀的保护方法，或者由于在一定时期内启、停次数过多，导致金属表面保护膜的破坏，致使水冷壁发生局部腐蚀，在运行时随着积垢的增加，或炉水品质不佳，造成炉水PH值降到很低，发生水对金属的酸性腐蚀。同时，积垢和腐蚀物的增加又导致水循环不良，使壁面超温而发生析氢反应，原子态氢又与钢中渗碳体作用生成甲烷积聚于钢中，不仅造成珠光体脱碳，而且引起很大的内应力，并最终导致水冷壁的氢脆爆管。