水冷壁管高温腐蚀分析及治理措施

水冷壁管高温腐蚀分析及治理措施

熊振方

河北大唐国际唐山热电有限责任公司    河北省唐山市  063029

摘要：本文介绍水冷壁管发生腐蚀原因，通过实验对高温腐蚀的元素进行分析，阐述了高温腐蚀机理和失效，通过对锅炉改造、燃烧方式、煤种、运行工况等，针对性的提出来治理措施和运行建议，可以减缓水冷壁发生高温腐蚀的速度，降低水冷壁爆管的几率，提高水冷壁的使用安全性，对锅炉安全运行有一定借鉴意义。

关键词：锅炉；水冷壁；高温腐蚀；硫腐蚀

1概述

某电厂2号机组为320MW亚临界燃煤发电机组，于2004年8月投入生产。锅炉为上海锅炉厂有限公司制造，型号为SG1025/17.6-M859，自然循环、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、摆动式燃烧器四角切圆燃烧，π型布置、燃煤汽包炉，目前已运行约13万小时。

机组于2010年05月进行低氮燃烧器改造，2021年09月进行灵活性调峰改造，采取配煤掺烧方式。2022年5月在防磨防爆检查中发现水冷壁管发生大面积高温腐蚀，腐蚀长度约6~14米，具体位置见下表。

本锅炉中水冷壁的规格和材质如表1所示：

文献表明高温腐蚀有不同的腐蚀类型，呈现不同的腐蚀机理和特征，对应不同的检测手段和措施[1]，水冷壁高温腐蚀在运行过程中产生，无法通过结构设计或制造质量进行监管控制[2]。本文通过试验确定水冷壁高温腐蚀的类型，对腐蚀机理进行分析，并针对性提出治理措施和建议。

2 宏观形貌分析

2.1宏观形貌

随机选取43号和72号两根水冷壁管，图1为管子向火侧的宏观形貌，可见两根水冷壁向火侧外表面有较多沉积腐蚀物，腐蚀物较厚呈黑褐色，外层不致密，并有大量剥落。同时仔细观察43号和72号水冷壁局部宏观形貌，在向火侧外表面沉积物表面均可见横向热疲劳痕迹，同时在外表面沉积物下面的管壁表面呈孔雀蓝色。

图1水冷壁管向火侧宏观形貌

2.2壁厚测量

对两根水冷壁管横截面进行取样，发现管子向火侧外壁存在减薄，减薄为均匀减薄，向火侧外壁并无明显局部腐蚀的点坑。对两个取样部位进行壁厚测量，测量位置在管子外壁每隔90°测量一点，一根管子测量4点，测量结果如表2所示。43号试样实测最小壁厚为4.83 mm，减薄约2.67 mm，减薄率为35.6%；72号试样实测最小壁厚为5.16 mm，减薄约2.34 mm，，减薄率31.2%。43号、72号试样实测最小壁厚均小于管子最小要求壁厚5.25 mm。

  表2 实测壁厚测量结果统计表

3 显微组织分析

对43号和72号水冷壁试样分别进行金相组织观察。43号和72号水冷壁管子外表面有较厚的沉积层，管子外壁高温腐蚀严重导致基体金属缺失的特征，管子向火侧中部为正常的金相组织：铁素体+珠光体；从外表面存在热疲劳痕迹的区域切取管子纵截面，管子基体外表面可见疲劳裂纹，图2所示。

图2向火侧纵截面

4 SEM形貌及能谱分析

对水冷壁向火侧外表面沉积物脱落处（孔雀蓝处）外表面进行扫描电镜观察及能谱分析，试验结果如图3所示。外表面沉积物主要成分为Fe、O、S、Zn、Pb、Si、Al、Ca、Ti等元素，沉积物脱落后的外表面主要成分为Fe、O、S等元素。

图3水冷壁外表面脱落处（孔雀蓝处）扫描电镜及能谱分析

5分析小结

从上述试验数据可以总结如下：1）水冷壁管金相组织为铁素体+珠光体，组织正常，运行中并未发生超温；2）水冷壁管向火侧外表面发生均匀腐蚀，壁厚减薄率较高；3）水冷壁管向火侧外表面有热疲劳裂纹；4）扫描电镜观察及能谱分析表明，S元素含量较高，水冷壁腐蚀减薄主要原因是高温硫腐蚀所致。

6 高温硫腐蚀机理

高温硫腐蚀是指金属与硫在高温下发生的金属腐蚀现象,水冷壁烟气侧硫腐蚀机理：当煤粉中的S≥1.0%，管壁附近O2≤2%、CO>5000ppm、H2S>0.01%,壁管壁温度≥350℃时，会生成[S]原子；当炉内燃烧工况不良、配风不合理时，在水冷壁附近易形成局部还原反应条件。在450℃左右时，FeS2也会分解生成原子态[S]。

FeS2      FeS+S

当水冷壁管壁温度达350℃时，[S]原子对金属具有强烈的破坏能力:

Fe+[S]      FeS

同时管壁附近的H2S对金属氧化膜具有很强的破坏性，可直接穿过氧化膜，沿金属晶界渗透，促使内部硫化，同时使氧化膜疏松、开裂、甚至剥落，并且H2S可与氧化膜内部金属直接发生反应，使管壁腐蚀失效。

FeO+H2S       FeS+H2O

Fe+H2S       FeS+H2

生成的FeS高温作用下和O2，反应生成Fe2O3，Fe2O3疏松不起保护作用，使腐蚀持续进行。

FeS+O2      Fe3O4+SO2

从高温腐蚀机理和过程来看可以采取一下手段对高温腐蚀进行控制，1）提高燃料品质采用低硫煤，降低煤粉中S元素摄入；2)减少水冷壁附近还原性气氛，采用贴壁风方式改善水冷壁附近氛围，周亮[3]通过模拟计算和实际结合方式，给出上下层最佳配风配比，可以明显减弱高温腐蚀，保证燃烧效率的额同事，降低NOX排放量；3）降低煤粉细度，煤粉颗粒太粗将导致火炬拖长,同时影响煤粉的燃尽,使大量未燃尽煤粉颗粒聚集在水冷壁附近加剧高温腐蚀。煤粉细度控制在8%- 12 %范围内,能保证良好的燃烧经济性及减缓高温腐蚀的发生[4]。4)对水冷壁进行防腐喷涂，采取超音速电弧喷涂可以对水冷壁管进行防护有效减缓腐蚀速度延迟使用寿命[5,6]。

7 建议及措施

（1）控制入炉煤中的硫分，严格控制燃煤质量，综合热值、硫分、灰分、灰熔点等指标，合理进行配煤掺烧，并有针对性的调整运行策略。

（2）加强对水冷壁的监督检查，重点关注历史发生腐蚀部位，腐蚀减薄强度不足的管子进行更换。

（3）对发生高温腐蚀的区域采取贴壁风的方式，破坏水冷壁发生高温腐蚀的还原性气氛。

（4）采取超音速喷涂等防护措施，减缓高温腐蚀发生。

（5）提高煤粉细度，可以减缓水冷壁高温腐蚀的发展。

参考文献：

[1]张炳奇.水冷壁高温腐蚀原因介绍[A] 科技创新与应用. 2021

[2]彭哲言.热电站煤粉锅炉水冷壁爆管原因分析及预防措施研究[D].华东理工大学,2014.

[3]周亮.贴壁风配风方式对四角切圆锅炉高温腐蚀的影响[J].湖北电力，2017(5):35-40.

[4]梁化忠，李永华，陈鸿伟.锅炉高温腐蚀原因分析[B].锅炉制造，2002(4)

[5]那旭辉王晓满.锅炉水冷壁管防腐耐磨研究[期刊论文]-黑龙江电力，2010(3)

[6] 邢春桦,岳胜利. 锅炉水冷壁管防腐耐磨技术应用[J]. 硅谷,2009(9)