锅炉水冷壁爆管事故原因分析

 

　　1 锅炉水冷壁爆管事故概述

 

　　事故设备为某公司的1台生产用锅炉，2012年10 月安装完毕并投运，型号为SZL4-2.5-AII。

 

　　锅炉水冷壁管规格为φ51mm×3mm，材质为20G。根据生产要求，锅炉运行压力为1.0MPa。由于公司锅炉管理安全意识淡薄，加之该地区原水水质硬度偏高，从2016年4月开始，多根水冷壁管均发生了不同程度的爆管，从而失去其应有的效力，导致公司出现计划以外的停产。水冷壁管最底端标高2.85m，最高标高34m，爆管位置多发生在标高为21m ～4m 处。

 

　　1 观察与试验结果

 

　　1.1 宏观形貌检查

 

　　水冷壁管出现爆管的位置处于直管一段，且面向于炉内火焰面，爆口从表面形状来看，呈现为凿槽型，从爆口看向管的内壁，腐蚀的痕迹清晰可见，爆口附近管壁其直径没有表现出较为明显的涨粗情况。

 

　　由此可判断出，水冷壁管在出现裂开时，并没有蠕胀和塑性变形发生。爆口位置其边缘的厚度由向火面的内壁开始明显变薄，最薄处仅为1.9mm，而该水冷壁管正常厚度应为5mm，水冷壁管背向于火焰面的地方没有明显的腐蚀情况，也未见管壁变薄。爆口断开暴露出的表面表现为粗糙，边缘未见撕裂型剪切唇。爆口周围管壁变薄位置具有腐蚀坑的特征，其不是均匀性的变薄，而属于溃疡性腐蚀。

 

　　该爆管周围的水冷壁管也存在同样的溃疡性腐蚀情况。腐蚀产物的颜色为暗黑色，水冷壁管上出现腐蚀坑的位置管壁明显较薄，与基体金属相对比，腐蚀产物的体积变大。

 

　　1.2 化学成分分析

 

　　在该发生爆管的水冷壁管上进行取样，取样位置为与爆口有较远距离的地方，对取得的样品进行化学分析。从结果中可以看出，该水冷壁管材料符合GB5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》标准中20G化学成分要求。

 

　　1.3 显微组织分析

 

　　从爆口边缘内部表面存在腐蚀坑的位置上切取一块材料作为金相试样，并对试样的截面进行粗磨和细磨，之后采用浓度为4%的硝酸酒精将其腐蚀，使用AxioImagerA2m型蔡司显微镜和FEIQuanta450FEG型扫描电镜进行显微组织观察分析，元素成分的分析选用OXFORDAztecX-MAX50型能谱分析仪。

 

　　1.4 垢层分析

 

　　通过扫描电子显微镜（SEM）对水冷壁管内壁的垢层进行分析，可见有积垢层附着于管的内壁上，且从垢层表面来看，其凹凸不平，薄厚程度为厚，和管壁基体存在明显的分界面，且腐蚀产物形貌展示为“泥纹状”。通过能譜仪（EDS）对其进行分析可知，垢层中含有Ca、Fe、Zn、O等元素，并且含有少量的元素Zn、Ca、Mn、Si等。

 

　　2 失效原因分析

 

　　通常情况下，如果是因为水冷壁管温度太高而导致的爆口，该爆口会表现为撕裂状，有剪切唇，并会出现明显的塑性变形。而从此次爆口的形貌来看，并不符合该形貌，而且腐蚀坑下金属机体显微组织中层片状珠光体形态明显，不存在珠光体球化现象，材料组织也不存在劣化现象，因此可排除由于温度过高而导致爆口的可能性。

 

　　调取水冷壁管在失去效能前的锅水，通过检测pH值发现，绝大多数的锅水pH值均在10以上，当水冷壁管内的介质其压力为10.2MPa～10.5MPa时，锅水pH值控制标准为9.0～10.0，最低运行值也要超过9.5，所以并不是低pH值运行，便可排除是出现了酸腐蚀，而且水冷壁管的内壁上没有出现脱碳，所以不是酸腐蚀而导致的爆口。

 

　　一般来说，水冷壁管内部的表面有一层致密的Fe3O4保护膜来保护基体不会受到腐蚀，如果锅水的pH值太高，或者是过低，都会破坏保护膜。当水冷壁管内介质的压力值为10.2MPa～10.5MPa时，锅水PO43-浓度的控制目标为2mg/L～6mg/L，而从锅水的监测数据来看，锅水PO43-浓度数据普遍处于偏高状态。此次爆管发生在21m～24m标高范围内。属于锅炉的汽水分离段，在这一过程当中，锅水中的磷酸盐等成分会被浓缩，面向火焰的一面更加严重，所以锅水中磷酸盐会大量析出，并在水冷壁管的内壁上附着，从而形成积垢层。积垢层就为垢下腐蚀的形成提供了前提条件，磷酸盐积垢层的导热性能非常差，而垢下的锅水会快速蒸发，所以垢下具有较高pH值锅水中的碱液会被浓缩，尤其是面向火焰一面的水冷壁管中，因为其具有的热负荷高，碱浓缩就更加严重，所以导致了碱性腐蚀。

 

　　临界浓度的浓缩碱可对金属基体造成直接的侵袭，而且热负荷太高在无形中又增加了腐蚀的进一步发展。在垢下pH值高的情况下，基体表面具有的Fe3O4保护膜会受到破坏，基体因此被暴露出来，并进一步腐蚀，在腐蚀的过程中，就会形成一个个的腐蚀坑，这也是水冷壁管厚度不断变薄的原因。而腐蚀生成的H2会进入水汽，在循环的过程中会被带走。腐蚀后，就会在水冷壁管中面向火焰一面的内部形成溃疡型的腐蚀凹坑。

 

　　因为没有对锅水进行很好的控制，所以水冷壁管的内壁上聚集了许多磷酸盐等盐分，并累积为垢，造成水冷壁管中面向火焰的一面碱液浓度浓缩，导致爆管的位置其垢下产生碱性腐蚀。且碱性腐蚀表现为两个方面：一方面，在内壁上有以Fe的氧化物为主的积垢层形成，面向火焰一面的水冷壁管其内表面存在大量的溃疡性腐蚀坑，是水冷壁管的金属壁逐渐变薄；另一方面，金属基体中的沿晶界形成腐蚀沟槽，并且腐蚀沟槽聚集相连，在水冷壁管中介质的压力作用下，沿着晶从内壁向外壁逐渐扩展，最终导致爆管。

 

　　3 建议

 

　　通过对水冷壁管发生爆管的原因进行分析，主要提出以下四点建议：第一，在对水冷壁管进行检修的过程中，重点对其管壁的厚度进行测量，一旦发现有异常变薄的情况，必须及时进行更换；第二，在检修过程中，应该采用化学清洗的方法非水垢实施有针对性的清洗处理；第三，在锅炉的运行过程中，要着重对锅水的水质进行检测和控制，检测项目包括pH值、水中杂志以及游离碱等；第四，要定时开展对水冷壁管的取样工作，通过样品分析水冷壁管的内壁是否有腐蚀、积垢等情况。

 

　　结语

 

　　综上所述，水冷壁管是锅炉的主要承压部件和蒸发受热面，由于其恶劣的运行环境条件，常常会导致爆管事故的发生。因此，必须要加强对锅炉水冷壁管的质量检测，避免发生爆管事故，若发生水冷壁爆管事故，必须在第一时间给予有效的解决方法，最大程度地减少事故发生所造成的损失，为锅炉运行的安全性和稳定性提供保障。