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生物质锅炉新闻动态
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410t/h锅炉水冷壁爆管原因分析
发布时间：2013-10-11 08:52 来源：未知
锅炉水冷壁爆管的原因是多方面的，就氢损坏而言，又有酸腐蚀、碱腐蚀、水蒸汽腐蚀等多种形式。由于工质、材质及运行工况的不同，各种腐蚀形式交错发生，本文通过对某厂410 t/h锅炉水冷壁爆管原因分析，确认了引发氢损坏的主要因素是碱性腐蚀，现将分析过程介绍如下。
1、爆管状况及受损炉管的位置分布
1.1爆管状况
某电厂锅炉是HG - 410/9.8 - YM12型高压自然循环固态排渣煤粉炉，于1993年投入运行。该炉炉水采用协调磷酸盐处理，炉水磷酸根控制标准为2～10 mg[L，给水采用加氨调节pH值方式。该厂在2000年底及以后接连发生3次爆管事故，见表l(n表示根数，爆口标高均在20 m左右)。
发生第1次爆管后，经检测分析认为爆口处原金属组织有缺陷。发生第3次爆管后，吉林省电力科学研究院组织有关专业人员到现场了解情况，根据实际情况提出了调整锅炉燃烧及炉水加药浓度等临时措施。2001年7月10～25日，该机组进行扩大性小修，发现有48根水冷壁管存在缺陷（现已全部更换），有的腐蚀已相当严重。2001年7月25日进行修后水压试验，发现2根水冷壁管发生漏泄，位置是从左墙南数第59根和第64根，标高均在20 m左右，经查2根水冷壁管各有一处腐蚀陷坑，并附有大量的腐蚀产物。富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧颗�；⒛拘伎帕；怪频纳镏士帕Ｈ剂�，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
1.2受损炉管的位置分布
从2000年12月17日到2001年7月25日，发现该炉共有53根水冷壁管有缺陷，在前、后、左、右墙分布数量22、12、12、7根。从位置分布看，炉管损坏在四侧墙均有发生，但标高主要集中在14～22 m，属热负荷较高的部位，说明热负荷对腐蚀有一定的影响。
2、锅炉燃烧状况调查
从1993年投产至今，锅炉燃用煤质一直较差，其低位发热量偏低，水分和灰分较高，使三次风风量和风速高于设计值，且无任何监视手段。在2套制粉系统同时运行时，大量高速、低温的三次风喷入炉膛，对燃烧产生以下不利影响：
a．降低炉膛火焰温度，着火推迟；
b．三次风穿入火炬，扰乱了炉内正常的空气动力场，引起气流贴壁现象；
c．三次风含粉量较多，使得火焰拖长。
1997年空气动力场试验表明，切圆偏向左侧炉墙，使得左侧炉墙热负荷偏高。从损坏炉管分布情况看，左墙偏左损坏的水冷壁管根数并不是最多，但爆管位置多集中在标高20 m左右，说明局部热负荷的影响要高于整体热负荷的影响。
3、爆口的宏观与微观检查分析
3.1宏观检查结果
水冷壁管爆口的宏观形貌见图1，爆口位于向火侧，呈“窗口”状，爆口长80 mm，宽40 mm，爆口附近管径没有胀粗，呈脆性开裂。爆口附近管内向火侧有明显的腐蚀区，腐蚀区内表面光滑，呈黑色，腐蚀较为均匀，腐蚀减薄1. 5～2.0 mm，腐蚀产物可用锐器剥离，有气孔和夹层（后2次爆破管管样腐蚀产物已在爆管时飞出）。腐蚀区以外的内表面为厚度约0.2 mm的棕红色垢层，表面光滑。3次爆管宏观特征相同。对第3次爆管的邻管进行了金相检验，发现其向、背火侧金相组织均为正常组织。
3.2微观检查及试验分析
3.2.1微观检查
a．从爆口处管内壁取样，通过浸蚀前观察发现内壁存在大量裂纹，裂纹内无腐蚀产物，见图2a；
b．从爆口处边缘（管内壁）取样观察，内壁存在大量沿晶裂纹，裂纹周围脱碳，珠光体明显减少，见图2b；
c．从爆口边缘处横截面取样观察，管内壁有脱碳现象，脱碳程度由内壁向外壁逐渐减少，脱碳层深度为0.5 mm，横截面脱碳层内存在沿晶裂纹，裂纹在脱碳层内产生，脱碳层至管外壁金相组织正常，为带状珠光体十铁素体，见图2c;
d．距爆口50 mm处水冷壁管向火侧内壁金相组织为带状珠光体十铁素体，无裂纹及脱碳层存在，组织正常，见图2d。
3.2.2力学性能试验分析
在距爆口30～250 mm处取样进行力学性能试验，结果见表2分别表示屈服极限、强度极限和延伸率)。从金属检验结果看，爆口区存在明显的脱碳现象和沿晶裂纹，但爆口附近部位材料的力学性能未见下降。
4、腐蚀产物的宏观结构与结垢化学分析
4.1宏观结构
由于在爆管发生的同时，爆口处的大量腐蚀产物随之飞出，所以检查第1、2、3次爆管管样时，没有检查到腐蚀坑及腐蚀产物的具体形状。扩大性小修期间检查出的以及修后水压试验发现的管样为分析工作提供了有力的物证，见图3。图3中a、b是同一根管样，图b是将图a管样的部分腐蚀产物剥离后露出白色盐类浓缩物的照片。
用机械方法去除腐蚀产物，可见银白色的金属基体，光滑但不平，明显可见弯弯曲曲的小沟道；靠近基体的是黑色的Fe304层，厚约0.1～0.2 mm；在Fe304层的上方是若干个大约15 mm×10 mm×6 mm的Fe304块，经分析Fe304占99%以上，P205只占1%左右；Fe304块之间是白色至微黄色的盐类沉积物，腐蚀产物的最表层呈棕红色，明显可见微小气孔，表层的局部地方有很多微小的黄亮色颗粒。经中国科学院长春应用化学研究所电子能谱分析，盐类沉积物的主要成分为磷、钠、铁，另外有少量的硅、钙、铜；黄亮色颗粒主要是铜、铁、硅的化合物，并且大部分是单质铜。
4.2结垢化学分析
根据检查分析，水冷壁向火侧结垢量平均为290 g／m2，垢厚0.3～0.5mm，呈棕红色，Fe203、Cu0、P205、Ca0+Mg0的质量分数分别为58. 78%、23. 58%、8.27%、5.05%。另外发现一处腐蚀区的腐蚀产物脱落后又结上棕红色垢层，垢层厚度约为非腐蚀区垢层厚度的1/3～2/3，该垢层为腐蚀产物脱落后结成，从厚度及腐蚀减簿情况可以初步断定该区域的腐蚀主要发生在5a前。从扩大性小修割管情况看，有很多水冷壁管的垢层发生局部脱落，脱落垢层的直径为3～10mm，这可能与垢质、锅炉燃烧状况等因素有关。
4.3历年水质调查
从历年的所有水质指标分析进行统计，该炉炉水的大部分指标基本都处在合格范围内，但炉水R值偏离标准(2.2～2.8)较大，R值大于2.8的几率较高，1994年全年炉水R值接近37%的数据在2.8以上。从历史数据分析，炉水R值在1994～1995年严重超标，1996～1999年基本正常，而到2000年又出现超标现象，详见图5。
5、爆管机理分析
从金属检验结果看，爆口属脆性开裂。脆性损坏现象就其含义来说，可包括苛性脆化、腐蚀疲劳和应力腐蚀破裂。脆性破裂和腐蚀穿孑L的明显区别就是在炉管还有足够的厚度时，即按壁厚计算还有安全裕度时，炉管发生了爆破。脆性破裂和过热爆破的明显区别在于炉管几乎没有蠕胀，爆口处管壁没有明显地减薄和塑性变形。脆性破裂的微观特点是具有晶间或穿晶裂纹。
结合晶间裂纹及脱碳现象进行分析，不难断定最终导致金属损坏的直接原因是氢损坏。形成氢损坏的原因只有3种可能，即酸腐蚀、碱腐蚀、水蒸汽腐蚀。酸腐蚀的腐蚀产物中应包含大量的磷酸亚铁钠，这与实际检测结果(P205只占1%左右)不符。“Fe304是否为直接的腐蚀产物”是断定和区分碱腐蚀与水蒸汽腐蚀的必要条件之一，Fe304是水蒸汽腐蚀的直接产物，而碱腐蚀的直接产物是亚铁酸钠，但亚铁酸钠不稳定，最终产物是Fe304，因此Fea0。是碱腐蚀的间接产物。直接产物与基体接合紧密，而间接卢物应与基体间有一定的疏松度。事实上本次分析的腐蚀产物中大部分Fe304属间接产物，与碱腐蚀特征相吻合。腐蚀产物最底部有一簿层致密的Fe304，说明该处也曾发生腐蚀产物下的水蒸汽腐蚀，主要是由于水冷壁爆管的最后阶段因腐蚀产物的隔热所至。碱性腐蚀是爆管的最主要原因。
从腐蚀产物脱落区域的结垢层分析，腐蚀主要产生于5a前，正好与炉水R值严重超标时间相吻合。从爆管发生的时间来分析，第2次爆管与第1次爆管间隔46 d，第3次爆管与第2爆管间隔15 d，时间间隔急剧缩短，而当将磷酸盐加药浓度进行调整后140 d再未发生爆管，尽管水压试验发现的2根水冷壁管已腐蚀相当严重。事实证明，最初的腐蚀产物是炉水R值长时间过高而产生的，有了腐蚀产物后，多年来一直存在垢下腐蚀，只是因为炉水水质尚好，几年来没有发生连续爆管，2000年炉水R值再次超标时，这个问题的严重性再次表现出来，由此可见炉水R值的严格控制是多么重要。
据华北电力科学研究院出示的资料《火力发电厂的水质事故分析与处理》说明，高参数汽包锅炉水冷壁管局部热负荷一般都较高，水冷壁管内近壁层炉水急剧汽化，管壁上若有沉积物，沉积物下面的炉水会高度浓缩。因为当溶液的Na+/POi-摩尔比超过2.8时，在高热负荷的水冷壁管内析出固相物后，余下的溶液中Na+/POi-摩尔比增加。如果溶液中Na+/PO摩尔比增加到2.8以上，即液相中出现游离NaOH，含有游离碱的炉水，在沉积物和腐蚀产物下受热浓缩，当炉水中游离NaOH质量浓度仅仅为1～5mg/L时，而管壁沉积物下NaOH的质量分数可达5%～10%，使贴近管壁处总有一层高浓度的炉水膜存在。受强热时，炉管遭受腐蚀，腐蚀过程中放出氢：
由于高温下氢氧化钠的溶解度非常大，炉水在附着物下蒸发时，其它盐类将以固体形式析出，氢氧化钠将以熔融体状态高度浓缩。腐蚀产物亚铁酸钠不稳定，容易水解，所以最终的腐蚀产物是磁性氧化铁和氢。将上面2个反应式相加，可以看出氢氧化钠仅在其中起媒介作用，促使金属腐蚀。当受热面一旦形成腐蚀产物，炉水渗入其中产生瞬时的高度浓缩，造成炉管腐蚀，腐蚀产物的积累又加重了炉水的渗入和蒸发浓缩现象，促进了腐蚀过程。富通新能源生产销售的生物质锅炉以及木屑颗�；怪频纳镏士帕Ｈ剂鲜强突遣淮淼难≡�。
事实证明，对于碱腐蚀过程来说有意义的是管壁温度和局部热负荷，与受热面的平均热负荷关系不大。碱性腐蚀的又一特征，距爆口略远处管子的腐蚀情况减轻，金属的强度也没有显著改变。背火侧没有明显腐蚀，其强度和新的材料相同。爆口附近的微观组织具有沿晶粒发展的裂纹，在裂纹附近有脱碳现象。有些裂纹是穿晶的，呈魏氏组织。当金属的脱碳和晶间裂纹发展到足够深时，尤其是晶间裂纹互相沟通起来时，炉管再也经受不住运行压力的作用，而突然发生爆破。
6、应采取的措施及结论
1994年～1995年期间该炉曾因炉水R值长时间超标而发生严重的碱性腐蚀并局部形成大量的腐蚀产物，2000年碱性腐蚀又有所“抬头”。腐蚀产物下盐类浓缩，并且当腐蚀产物的隔热效果达到一定程度时便在腐蚀产物与基体间形成“气室”，其中的高温蒸汽与铁直接反应产生Fe304，并产生氢。碱腐蚀产生的氢以及汽水腐蚀产生的氢会加剧水冷壁管金属的渗氢。金属渗氢的结果最终使水冷壁管发生脆性损坏。这是炉水水质不良引起高热负荷水冷壁发生严重腐蚀的一种典型情况。目前解决问题的措施是彻底清除原有腐蚀产物，通过试验确定并调整磷酸盐加药量，严格控制R值。
