锅炉水冷壁管的失效原因及防控措施

2026-09-10 11:51:41 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

水冷壁管是火力发电厂锅炉设备主要受热面管，其主要作用是热交换，即吸收炉膛辐射热并将热量传递给管内工质，使管内工质由水转化为汽水混合物。在服役过程中，水冷壁管外侧需承受高温火焰辐射与含尘气流的冲刷磨损，内侧则承受高压汽水介质的腐蚀与热疲劳。管内外的多重恶劣工况相互叠加，使得管壁材料极易发生失效，严重威胁火电机组的安全稳定运行。

水冷壁管的失效形式多样，按诱因可归纳为制造工艺缺陷、运行工况异常、燃烧条件恶化及腐蚀作用等几类，相关研究也较多。徐贤等及张苏闽等发现，焊接工艺不当导致接头性能与服役环境不匹配，是引发泄漏的重要原因；机组深度调峰过程中频繁的负荷变动所产生的交变热应力，会导致水冷壁管产生疲劳裂纹，进而引起失效；周颖驰和姚斌等研究了燃烧条件偏离设计工况时，还原性气氛下硫酸盐型高温腐蚀对管壁的侵蚀机理；殷尊则关注了水循环不良或管堵塞等异常工况引发的短时过热爆管问题；郑准备等及刘锋等从化学腐蚀角度，探讨了氧腐蚀和氢腐蚀作用下管壁减薄与泄漏的演化过程。

水冷壁管内水质是决定腐蚀类型与损伤程度的关键因素。当水质不合格时，管壁内壁发生氢腐蚀，其反应路径如下：管内介质中的水蒸气与铁反应生成疏松的氧化层Fe₂O₃和 FeO，同时析出氢原子或氢分子。氢原子或氢分子沿氧化层缺陷渗入管壁金属内部，在晶界处与渗碳体(Fe₃C)或碳化物发生反应生成甲烷。由于甲烷在钢中的扩散系数极低，难以向外逸散，随着反应持续进行，甲烷在晶界处不断聚集形成局部高压区，引发应力集中，最终导致沿晶裂纹萌生与扩展。水冷壁管发生氢腐蚀时，管内壁会出现典型的形貌特征，如沿晶裂纹、脱碳、珠光体含量减少等微观特征，以及爆口边缘粗钝、无明显塑性变形及管径胀粗、内壁可见盐垢沉积、垢下分布有坑穴状腐蚀坑等宏观特征。与之相对，当管内水质合格时，内壁表面生成的是致密、连续的Fe₃O₄保护膜，该氧化层可有效阻隔氢原子向金属基体的渗透，从而避免氢腐蚀的发生。

某300MW火力发电机运行过程中水冷壁管发生泄漏。水冷壁管材质为SA-210-A-1，尺寸为φ63.5mm×7.1mm。作者对水冷壁管进行了宏观检查、化学成分分析、金相检验、拉伸试验等一系列理化检验，结合水汽质量调查分析了水冷壁管失效的原因，并从锅炉运行、化学监督、金属监督等方面提出了预控措施。

一

理化检验与结果

1. 1 宏观检查

对失效水冷壁管的爆口特征、内壁腐蚀形貌及裂纹扩展方向进行宏观检查，结果如图1所示。由图1可见，其爆口处管径无明显胀粗和塑性变形，属脆性开裂，爆口呈现“窗形开口”，边缘粗钝；管内壁覆盖着一层黑色氧化皮，垢下呈坑穴状，有较多裂纹，裂纹沿内壁向外壁扩展。向火侧比背火侧腐蚀更为严重，其失效宏观形貌符合氢腐蚀宏观特征。

图1 失效水冷壁管宏观形貌

1.2 化学成分分析

使用Niton xL2800S型便携式X射线荧光光谱仪对泄漏水冷壁管进行化学成分分析，分析结果见表1。结果表明，失效水冷壁管的化学成分满足ASMESA-210/SA-210M《锅炉和过热器用无缝中碳钢管子》标准对 SA-210-A-1钢的要求。

表1 失效水冷壁管的化学成分

1.3 金相检验

采用 Axio Observer A1m倒置金相显微镜对失效水冷壁管泄漏部位及附近管段进行金相检验，结果如图2所示。结果表明，失效水冷壁管的组织为铁素体+珠光体，晶粒度 9.5级，未发生珠光体球化现象；其中，管段内壁存在明显脱碳层及腐蚀坑，脱碳层最大深度为0.9mm，最大腐蚀坑深度为0.8mm；腐蚀坑前沿存在大量微观沿晶裂纹。上述微观组织特征(基体为铁素体+珠光体、内壁存在脱碳层和腐蚀坑、腐蚀坑前沿发育沿晶裂纹)均符合氢腐蚀的典型微观特征。

图2 失效水冷壁管微观形貌

1.4 室温拉伸试验

使用上海馨标CMT5202型微机控制电子万能试验机，对取自泄漏水冷壁管附近区域的试样进行室温拉伸试验，结果如表2所示。由试验数据可知，该管段的力学性能各项指标均满足ASME SA-210/SA-210M标准对SA-210-A-1钢的要求。

表2 室温拉伸性能

1.5 垢样分析

从水冷壁泄漏口附近区域，分别取严重结垢、中度结垢、轻度结垢3根试样，依据 DL/T1115-2009 《火力发电厂机组大修化学检查导则》中规定的酸洗法进行结垢量测定，结果见表3，各试样清洗前后的内壁腐蚀形貌见图 3。结果表明，各试样向火侧结垢量均大于背火侧。严重结垢试样内壁附着坚硬的红褐色及黑色垢层，向火侧结垢量高达3547.66g/m²，清洗后管壁呈现溃疡状腐蚀坑；中度结垢试样内壁附着坚硬的黑褐色及褐红色垢层，向火侧结垢量为452.6g/m²，清洗后管壁可见大量腐蚀点；轻度结垢试样内壁附着坚硬的黑褐色垢层，向火侧结垢量为 287.81g/m²，清洗后管壁存在较多腐蚀点。

表3 试样管内壁结垢量测试结果

图3 清洗前后失效水冷壁管内壁的宏观形貌

采用Niton XL2 800S型X射线荧光光谱仪(XRF)对严重结垢试样内壁垢层进行化学成分分析，结果如表4所示。垢样中主要元素为Fe、O,其次为 Si、Ca、Cr、Mg、S、Na等。为进一步明确垢层的物相组成，采用 D/Max-2500PC型 X射线衍射仪(XRD)进行物相分析，谱图如图4所示。分析结果表明，垢样以铁的腐蚀产物为主，并含有少量钙、镁化合物，其中Fe₂O₃约60% (质量分数，下同) 、 Fe₃O₄约34%、CaSO₄约4%，其他检出物合计约占2%。

表4 失效水冷壁管内壁垢样的XRF分析结果

图4 失效水冷壁管内壁垢样的XRD谱

1.6 水汽质量调查

锅炉启动期间及10MW负荷运行期间的水汽质量报表如图5所示。由图5可知，在锅炉启动过程中，凝结水、给水及炉水的硬度最高达100μmol/L，带10MW 负荷后虽逐渐降低，但仍高于标准限值(0μmol/L)；此外，除盐水箱中SiO₂质量浓度长期超标，在 22~95μg/L范围内波动。

图5 锅炉运行过程中水汽质量变化

二

失效原因分析

泄漏水冷壁管的失效特征如下：宏观层面，爆口边缘粗钝，未发生塑性变形和管径胀粗；微观层面，内壁存在结垢及垢下坑穴状腐蚀坑，腐蚀坑前沿发育大量微观沿晶裂纹，内表面呈现脱碳现象，珠光体含量减少；基体组织(铁素体+珠光体)及力学性能均未发生明显劣化。上述特征与垢下腐蚀引起的氢损伤完全吻合。

垢样成分分析结果表明，Fe₂O₃与Fe₃O₄合计占比约94%，其主要来源有两方面：一是管路系统在启动期间的腐蚀产物随炉水浓缩沉积于管壁高热负荷区；二是垢下腐蚀过程中持续生成的腐蚀产物。垢层形貌呈突起状和团块状硬垢，团块下方可见腐蚀坑，此为典型垢下腐蚀氢损伤的宏观形貌特征。此外，垢样中S元素含量较高，物相分析检出CaSO₄，表明垢下发生了酸性腐蚀。垢下酸性腐蚀主要与不适当的酸洗或给水水质不合格有关。盐垢热阻较大，在管内壁沉积后，导致垢下管壁温度升高，垢下酸性介质随之浓缩，腐蚀进一步加剧，当管壁有效厚度减薄至不足以承受内压时，发生爆管。

从锅炉运行过程中水汽质量变化图可知，锅炉运行过程中水质长期不达标。炉水中存在大量Ca²⁺、Mg²⁺，这些杂质容易在循环较差区域及高热负荷区沉积成垢，与垢样中CaSO₄(约4%)的检出相吻合，证明给水中存在硬度离子。此外，炉水SiO₂含量长期偏高，表明混床失效导致SiO₂漏过，SiO₂以SiO₃^2-形态进入炉水后与H⁺结合，形成微酸性水，导致炉水pH降低。酸性炉水破坏管内壁Fe₃O₄的致密保护膜，然后与金属基体发生化学反应，如式(1)所示。反应析出的氢原子在高温作用下持续向金属内部扩散渗透，使钢中氢原子含量不断升高，进而与碳发生反应生成甲烷，如式(2)所示，导致钢基体脱碳，产生氢损伤。由于甲烷在钢中扩散能力极低，易在晶界处聚集，形成局部高压区，沿晶界萌生晶间裂纹，使钢材性能急剧劣化。腐蚀持续进行使管壁减薄,垢层及腐蚀产物使传热进一步恶化，管壁局部温度升高，加速腐蚀进程，形成恶性循环，最终导致水冷壁管沿晶开裂失效。