水冷壁管高温腐蚀及冲刷分析

书书书第２２卷第３期２０１０年５月腐蚀科学与防护技术ＣＯＲＲＯＳＩＯＮＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．２２Ｎｏ．３Ｍａｙ．２０１０收稿日期：２００８０８２６初稿；２００８１２２７修改稿作者简介：王胜（１９７０－），男，高级工程师，从事电厂金属技术监督检验．Ｔｅｌ：[phone]　Ｅｍａｉｌ：[e-mail]水冷壁管高温腐蚀及冲刷分析王胜，辛以波华能日照电厂，日照２７６８２６摘要：针对某电厂１号锅炉吹灰器附近水冷壁管存在严重腐蚀现象并伴有明显冲损痕迹，进行宏观检查和取样分析，结果表明，水冷壁管发生了高温腐蚀和吹灰蒸汽、煤粉颗粒的冲刷，提出了防治对策与建议．关键词：水冷壁；高温腐蚀；冲刷中图分类号：ＴＧ１７２９　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００２６４９５（２０１０）０３０２４３０４ＡｎａｙｓｉｓｏｎＨｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄＥｒｏｓｉｏｎｏｆＷａｔｅｒＣｏｏｌｅｒＴｕｂｅＷＡＮＧＳｈｅｎｇ，ＸＩＮＹｉｂｏＨｕａｎｅｎｇＲｉｚｈａｏＰｏｗｅｒＰｌａｎｔ，Ｒｉｚｈａｏ２７６８２６Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｗａｓｓｅｒｉｏｕｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄｅｒｏｓｉｏｎｏｎｂｏｉｌｅｒｗａｔｅｒｃｏｏｌｅｒｔｕｂｅｎｅａｒｂｙｓｏｏｔｂｌｏｗｅｒｉｎａｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ．Ｖｉｓｕａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄｓａｍｐｌｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｏｎｔｈｅｆａｉｌｅｄｔｕｂｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｉｓｄｕｅｔｏａｃｏｍｐｌｅｘｃｏｕｒｅｉｎｔｅｒｍｓｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄｓｔｅａｍｐｌｕｓｃｏａｌｐｏｗｄｅｒｓｅｒｏｓｉｏｎｏｎｗａｔｅｒｃｏｏｌｅｒｔｕｂｅ．Ｔｈｅｒｅａｆｔｅｒ，ｒｅｌｅｖａｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓａｎｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒｃｏｏｌｅｒｔｕｂｅ；ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎ；ｅｒｏｓｉｏｎ１工况与腐蚀现状某电厂１＃锅炉于１９９９年９月投产，系西班牙ＦｏｓｔｅｒＷｈｅｅｌｅｒ能源公司设计制造的亚临界压力、单汽包、煤粉炉．锅炉采用正压直吹制粉系统，１６只漩流燃烧器共分四排前墙布置，煤粉从燃烧器旋流进入炉膛，形成Ｌ型火焰悬浮燃烧．２００６年５月，在检修中检查发现正对喷燃器的后墙及侧墙后部吹灰器周围水冷壁管（材质为ＳＡ２１０Ｃ，规格为７６２ｍｍ×１０２７ｍｍ）存在严重腐蚀现象并有明显冲损痕迹，冲损最严重处管壁仅有５５ｍｍ．２００７年４月检查发现２００６年更换的新管又发生了较明显的腐蚀现象．对此本文用金相法、ＳＥＭ、ＥＤＸ等方法对其原因进行了分析．锅炉在此运行期间燃用了混煤，与设计煤种相比，灰分较低，硫分较高，平均含硫量达１７％（重量百分比），而设计硫分为０９６％（重量百分比）．宏观检查发现受冲蚀的水冷壁管呈现以下特征：①、受冲蚀的水冷壁管均位于吹灰器周围，正对吹灰蒸汽的管壁侧（迎汽侧）被冲蚀形成明显的平面，背对吹灰蒸汽的管壁侧（背汽侧）紧邻鳍片的部位垢层脱落形成沟槽（图１）．②、腐蚀产物表面呈棕黑色，局部显灰黄色，下层呈黑色；垢层厚而疏松，最厚处大于２ｍｍ，用尖锤敲击后可形成凹坑．取样检查水冷壁管段宏观图片和尺寸如图２所示，所取管样外壁附着一层黑色粉末，其向火外壁面有明显的黑色垢层和冲涮减薄痕迹，而背火面外壁则正常；对管子横断面进行多点壁厚测量，结果背火面壁厚值为１１２ｍｍ和１１６ｍｍ，向火面壁厚明显减薄最薄处仅为７３ｍｍ，壁厚测量值示于图２（ｃ）中，可见减薄区域横断面平齐且仅出现在向火面．２实验结果２１金相分析在管子壁厚减薄处切取横向金相样品两个，经金相制样机磨制和抛光后浸蚀并于ＯＬＹＭＰＵＳＧＸ７１金相显微镜下观察分析，结果表明：１）管子外壁垢层不均匀，中间较为疏松且局部已开裂，垢层最大测量厚度为１２ｍｍ；Ｆｉｇ．１Ｅｒｏｓｉｏｎｍａｃｒｏｇｒａｐｈ２４４　　腐蚀科学与防护技术第２２卷Ｆｉｇ．２Ｍａｃｒｏｇｒａｐｈｏｆａｗａｔｅｒｃｏｏｌｅｄｔｕｂｅｓａｍｐｌｅ（ａ）ｆａｃｅｆｉｒｅｓｉｄｅ（ｂ）ｏｐｐｏｓｉｔｅｆｉｒｅｓｉｄｅａｎｄ（ｃ）ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｖｉｅｗｏｆａｔｕｂｅｗｉｔｈｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓ２）管子母材组织为铁素体＋珠光体，组织状态正常．管子外壁垢层截面形貌和管子母材显微组织见图３和图４．２２能谱测试用ＦｅｉＱｕａｎｔａ４００Ｈｖ型扫描电子显微镜和ＥＤＡＸ能谱仪对管子金相横截面样品（从外壁到内壁分６点）进行能谱分析，管子金相横截面样品测点位置见图５，能谱分析结果如图６所示．另外对管样最外壁的黑色粉末单独进行了能谱分析，其分析结果见图７．由能谱分析结果可知：最外层黑色粉末为未完全燃尽的煤粉，靠近金属基体内层的垢层（３～５点）含硫量高于其外层，总体上垢层硫含量在８５９％～３６５６％（重量百分比）之间．２３Ｘ射线衍射测试用Ｄｍａｘ／ｒＡ型Ｘ射线衍射仪对外壁垢层的粉末样进行Ｘ射线衍射测试，测试结果表明，垢层组成主要由铁的硫化物和氧化物组成，其中黄铁矿ＦｅＳ２１８５３％，赤铁矿Ｆｅ２Ｏ３１１６９％，磁黄铁矿Ｆｅ７Ｓ８４２３４％，磁铁矿Ｆｅ３Ｏ４１５０％，白铁矿ＦｅＳ２１２２６％（以上组成皆为质量百分比）．３结果分析１）从宏观检查结果分析，管子的失效主要以腐蚀和冲刷为主．２）由能谱分析结果可知最外层黑色粉末为未完全燃尽的煤粉，靠近金属基体的内层垢层含硫量高于外层．３）垢层粉末样的Ｘ衍射分析结果表明水冷壁外壁垢层主要由铁的硫化物和氧化物组成．４）分析认为水冷壁管发生了高温腐蚀，水冷壁高温腐蚀Ｆｉｇ．３ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｏｕｔｅｒｓｃａｌｅｓｅｃｔｉｏｎＦｉｇ．４ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｏｕｔｅｒｐａｒｔｏｆｔｕｂｉｎｇｓｔｅｅｌＦｉｇ．５ＥＤＸａｎａｌｙｓｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ３期王胜等：水冷壁管高温腐蚀及冲刷分析２４５　　Ｆｉｇ．６ＥＤＸａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｏｆｓｃａｌｅ１～６（ａ）ｐｏｓｉｔｉｏｎ１，（ｂ）ｐｏｓｉｔｉｏｎ２，（ｃ）ｐｏｓｉｔｉｏｎ３，（ｄ）ｐｏｓｉｔｉｏｎ４，（ｅ）ｐｏｓｉｔｉｏｎ５ａｎｄ（ｆ）ｐｏｓｉｔｉｏｎ６Ｆｉｇ．７ＥＤＸａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｏｆｏｕｔｅｒｐｏｗｄｅｒ是一个复杂的物理化学过程，主要与煤质成分、水冷壁附近的温度、气体成分和煤粒的运动状况有关．①煤种是造成高温腐蚀的主要原因之一，煤中的硫和硫化物是形成腐蚀物质的基础．含硫高的煤出现腐蚀的可能性较大，硫分越高，腐蚀性物质浓度越大，与金属管壁发生化学反应的可能性就越大，对水冷壁的腐蚀就越严重．另外燃用着火相对较为困难的煤种时，容易产生不完全燃烧和火焰拖长，因而形成还原性气氛，致使炉内腐蚀性气氛增强．②造成影响水冷壁高温腐蚀的另一因素是水冷壁附近的烟气成分和管壁温度．煤粉在燃烧过程中，形成ＳＯ２，ＨＣｌ，ＮａＯＨ和Ｈ２Ｓ等腐蚀性较强的物质，对水冷壁产生腐蚀．当水冷壁附近的烟气为还原性气氛时，将导致灰熔点的下降和灰沉积过程加快，从而加速受热面的腐蚀．由于炉内燃烧不均匀，水冷壁附近局部温度增高，使水冷壁壁面温度提高，抗磨损和腐蚀的性能降低．当管壁温度大于３００℃时，钢管表面腐蚀的速度明显加快．对于大型的亚临界及以上参数的锅炉，由于压力较高，水冷壁管外壁温度也较高，一般最低都在４００℃以上．③另外，当含有较多未燃尽煤粉的气流直接冲向水冷壁时，这股气流除了造成水冷壁附近的温度升高和形成还原性气氛外，其中的煤粉颗粒将直接冲刷水冷壁，导致水冷壁的磨损，并由于气流中携带着已熔化的灰粒，这些灰粒撞击到水冷壁后会粘附上去，灰粒中的腐蚀性物质就会很容易地与水冷壁金属表面发生２４６　　腐蚀科学与防护技术第２２卷化学反应，引起严重的腐蚀和磨损．由以上分析可见，水冷壁的高温腐蚀主要是高温硫化物腐蚀．５）管壁上迎火面形成的冲刷平面为高温腐蚀和吹灰蒸汽、煤粉颗粒冲刷综合作用的结果．管壁表面的氧化膜在含硫气氛中被破坏变得疏松，易于开裂和脱落，在吹灰蒸汽和煤粉颗粒的冲刷下脱落露出新的金属基体，新的基体没有氧化膜的保护，更易被氧化和腐蚀，如此腐蚀和冲刷反复交替进行，大大加快了管壁减薄的速度，在管壁上形成冲蚀平面．４结论及建议根据检验结果及分析，某电厂１＃锅炉吹灰器附近水冷壁管，在高温下含硫气氛中发生了高温腐蚀；高温腐蚀和吹灰蒸汽、煤粉颗粒对管壁冲刷的交替作用是造成管子表面产生冲蚀平面的主要原因．为减缓腐蚀速率，延长水冷壁管使用寿命，保证机组的安全运行，建议：１综合考虑燃烧器的特性，进行燃烧调整以优化燃烧状况，或从锅炉结构本身加以改进，从而减少缺氧燃烧，降低高温腐蚀速率．２根据腐蚀速率和壁厚校核结果，对腐蚀管段进行定期更换．３在保证正常吹灰效果的前提下，减少吹灰次数及降低吹灰蒸汽压力．４煤中的硫是造成水冷壁高温腐蚀的根本原因．燃烧调整仅能在有限范围内缓解水冷壁高温腐蚀程度，但不能从根本上解决问题．因此，加强煤质管理是根本，日常运行中应加强对煤中含硫量的监测，避免燃用引起水冷壁高温腐蚀加剧的高硫煤．５根据高温硫腐蚀的特点，选取合适的喷涂材料，采取超音速电弧喷涂工艺对水冷壁管进行表面防腐防磨处理．