水冷壁失效分析

[摘 要]锅炉水冷壁管的失效是影响锅炉安全、经济运行的主要因素之一。水冷壁管失效的研究和预防是锅炉检验和监察人员要探讨的重要课题。本文系统地研究总结了失效模式、失效机理及其产生原因，提出了相应的预防措施。取得以下研究成果：（1）对水冷壁管的主要失效模式进行了分类，针对工业锅炉和电站锅炉的不同特点，系统地研究总结各种失效的机理，为建立水冷壁管的失效预防措施提供了理论指导。（2）用丰富图片和工程实例直观描述锅炉热面管的失效特征、分析失效的原因，并以工程实际中典型的水冷壁管失效为例，建立了相应的预防措施与对策，提出了水冷壁管的检验要点。对检验和生产有较好的指导作用。

[关键词]锅炉；水冷壁管；失效；机理

中图分类号：TK223.3+l 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）23-0373-01

1、应力

应力断裂分为：高温蠕变、短期过热

1.1 高温蠕变

锅炉水冷壁管在正常的设计温度和压力下运行，其使用寿命能达10―15万小时以上。但如果管壁温度长期处于设计温度以上而低于材料的下临界温度，则会发生碳化物球化，管壁氧化减薄，持久强度下降，蠕变速度加快，直至最终爆管。管子的使用寿命便短于设计寿命，超温程度越高，寿命越短。主要发生在高温过热器管、高温再热器管，但在不正常的运行状态下，在低温过热器、再热器、水冷壁的向火侧均可发生高温蠕变。锅炉启停工作不符合要求，锅炉进水时，水温或进水速度不符合规定；启动时，升压、升温或加负荷速度过快；停炉时，冷却过快，放水过快。这些都会使炉内冷却不均，产生过大热应力，以致锅炉水冷壁管失效.

1、失效的机理

水冷壁管在高温下运行时所受的应力主要是由过热蒸汽（或他和蒸汽）内压力所造成的对管子的切向应力。在这种应力的作用下，使管径发生胀粗。当过热器管在正常的设计应力作用下并于额定温度下运行时，管子以相当于毫米/时速度数量级的蠕变速度发生管子的正常的径向蠕变。当管子由于超温而长期过热时，由于运行温度提高，既使管子所受应力不变，管子也会以加快了的蠕变速度而发生管径胀粗。正因为长期过热爆管的破口是由这些弯弯曲曲的晶间裂纹发展而成，因而破口断裂面呈现出粗糙而不平整、边缘是钝边的宏观形貌。

2、失效的原因

高温蠕变失效的原因很多，有材质以劣代优或混料；错用钢材；管子堵塞；

运行工况不合理；过负荷；启动升火时操作不当；管壁内部结垢严重；导热性差等。

1.2 短时过热

锅炉水冷壁管在运行过程中，由于冷却条件的恶化等原因，使管壁温度急剧上升，在短期内发生爆管。

1、失效的机理

短时过热失效是锅炉水冷壁或过热器的部分管壁的温度在短时间内突然上升很高，有时达到了该管钢材的临界点，管子在这样高的温度下运行，其抗拉强度在很短的时间内将会急剧下降。

2、失效的特征

爆破时爆口张开很大，呈喇叭状，爆口边缘锐利，减薄较多，其爆口断裂面较为光滑，呈撕裂状，远离爆口管子胀粗不大；在短时过热爆管爆口内壁由于爆管时管内汽水混合物或气流的急速冲击，而显得十分光洁，管子弯曲变形，外壁氧化不明显。

2 腐蚀

水冷壁管腐蚀分为火侧腐蚀和水侧的腐蚀。金属腐蚀的危害性很大，将导致水冷壁管泄漏，缩短其运行使用寿命，影响锅炉和热力系统的安全和经济运行。

2.1 火侧腐蚀

火侧腐蚀包括高温腐蚀和低温腐蚀两类。

1、高温腐蚀

由沉积物中的非硅酸盐杂质的化学过程所引起的一种炉管金属损耗。通常发生在过热器和再热器的向火侧外表面，在水冷壁蒸发高温段和液态排渣炉的水冷壁烟气侧外壁也会发生高温腐蚀，表现为高温硫腐蚀和高温氯化氢腐蚀。发生腐蚀的根源在于燃烧过程，燃料、燃烧器和炉膛的特征量对发生腐蚀及其发展有着重要的影响。

①失效机理

发生在水冷壁上和高温过热器上的高温腐蚀的失效机理是有区别的。

以水冷壁的硫腐蚀为例，高温腐蚀通常发生在水冷壁外表面燃烧口区域，该区域存在还原性气氛，能使原子状态的硫单独存在。常发生在在液态排渣的锅炉上，燃用含硫量高的煤粉。

②失效特征

腐蚀沿向火侧局部浸入，呈鼠啃坑穴状、麻点或浅沟槽，腐蚀减薄造成爆管，腐蚀速度为（0.2―2.0）×mm/h。腐蚀区表面的覆盖层较厚，分为四层，第一层为积灰，第二层为疏松积灰和氧化铁的混合物，第三层为红色层，第四层为有黑色光泽的硬垢，第一、第二层在运行中容易脱落，第四与金属机体结合较牢固。

③失效原因

虽然从设计角度，锅炉对燃料的适应能力有一定范围，但煤质多变，煤种进货渠道繁杂，使燃煤或燃油含有较高的硫、氯、钒、碱等物质，是造成高温腐蚀的主要因素管子的局部热负荷过高，腐蚀性的低熔点化合物贴附表面，造成高温硫腐蚀。

2、低温腐蚀

常出现在空气预热器的冷端以及给水温度低的省煤器表面，一般总是伴随着发生严重的堵灰现象。

①失效机理

煤中硫燃烧后生成的二氧化硫与烟气中水蒸气结合形成硫酸蒸汽，凝结在温度低于烟气露点温度的金属表面上导致发生腐蚀。

②失效特征

受热面发生大面积溃蚀性腐蚀。腐蚀最严重的区域在水蒸汽凝结温度附近，（低酸浓度腐蚀区）；酸露点以下10―40℃区域（高酸浓度腐蚀区）。

③失效原因

煤或燃油含有较高的硫分，燃烧后大部分变为，其中一部分进一步氧化成当受热面管的温度低于水蒸汽凝结温度和酸露点时，管壁即附着硫酸，从而造成腐蚀；采用过高的过剩空气运行，将促使大量的氧化成，使腐蚀加重；管子表面积灰导致硫酸的凝结。

2.2 水侧腐蚀

水侧腐蚀的类型有氧腐蚀、垢下腐蚀、应力腐蚀。

1、氧腐蚀

氧腐蚀为锅炉管在水溶液中氧去极化的电化学腐蚀。

①失效机理

当除氧器运行不正常，有可能使给水中的溶解氧带入锅炉内，腐蚀通常发生在省煤器上，锅炉的水冷壁管通常不发生氧腐蚀，因为氧集中在汽泡中，不易到达金属表面。锅炉在基建和停用期间，如没有采取适当的保护措施，就会发生氧腐蚀。点蚀是通过氧的腐蚀过程的进行逐渐形成腐蚀坑（闭塞电池）而后加速腐蚀的，氧还起极化作用，清除阴极产生的氢，蚀坑的进一步发展可能诱导出疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹。

②失效特征

宏观特征：管子内壁发生溃疡，点状、坑状腐蚀坑造成管壁减薄。裂纹萌生于内壁蒸汽侧，在腐蚀区没有过热现象，基本上没有结垢。在弯头内壁的中性面附近易产生腐蚀坑，弯头的椭圆度大、应力集中，腐蚀坑沿轴向发展，可能诱发腐蚀裂纹。

组织性能特征：组织和性能均没有变化。

③失效原因

炉时外界的氧气进入受热面管，在积水和潮湿的内壁形成腐蚀电池，内表面的保护膜破裂，发生点蚀，已使用的锅炉，如果管内壁积有含水溶性盐（氯化物和硫酸盐）的沉积物时，腐蚀发展的速度很快。运行中，因给水除氧不彻底和除氧器运行不正常，管内结垢和给水中带有氧化铁和氧化铜，将加速氧腐蚀。炉水中含有少量的碱或游离的也会加速氧腐蚀。

2、垢下腐蚀

炉水质量差，水冷壁管内部结垢，影响传热，使管壁温度升高、承压强度，以致产生鼓包甚至爆管。同时，结垢处易产生垢下腐蚀，造成泄漏或爆。

作者简介

丁玉双，男，19840415，籍贯：内蒙古赤峰市 学历：大学专科

专业：供用电技术，作者研究方向：水冷壁失效分析，现工作单位：内蒙古赤峰市京能（赤峰）能源发展有限公司。