电站锅炉水冷壁垢下腐蚀分析及防护

电站锅炉水冷壁垢下腐蚀分析及防护

王俊英

内蒙古特种设备检验研究院包头分院 内蒙古包头014030

摘要：水冷壁垢下腐蚀对锅炉的安全运行有很大影响。基于此，本文重点分析了电站锅炉水冷壁垢下腐蚀及其防范措施。

关键词：锅炉；水冷壁；腐蚀；防范措施

根据腐蚀机理，电站锅炉水冷壁垢下腐蚀可分为酸性、碱性腐蚀，两者在反应机理和腐蚀物金相组织上存在明显差异，但随着腐蚀过程的深入，会形成相同的反应结果。根据垢下腐蚀机理，可通过建立完善水冷壁管内钝化膜、严格控制汽水质量、避免锅炉超温运行、定期对水冷壁进行腐蚀扫查等方式来预防，以确保锅炉装置的安全稳定运行。

一、水冷壁酸性腐蚀爆管案例

1、故障概况。热电部1#炉水冷壁管材为20G，规格为Φ60×5mm，8m标高层以下的水冷壁多次在火侧垢下发生腐蚀爆管，爆管位置无规律，且失效管内表面有较大腐蚀坑。取其中一处故障管段(标记为1#管)，从鳍片进行剖分观察，发现向火侧外表面有一处不规则形状爆口，其边缘粗钝，未发现明显塑性变形，外表面覆盖有大量黑色与棕色氧化腐蚀产物，外表面有许多凹坑。发现向火侧内表面爆口处有一较大腐蚀坑，且呈喇叭状，爆口附近有明显减薄，并伴有大量黑色和橘黄色腐蚀产物；内表面其他区域被红棕色腐蚀产物覆盖，并伴有大量凸起的白色垢层。观察此管非火侧内表面是否完好。

2、化学成分。采用OB QS750-Ⅱ直读光谱仪对1#管进行成分检测分析，其成分符合20G钢国家标准要求。

3、金相分析。先对1#管纵向切片，用OLYMPUS GX71金相显微镜进行金相分析，爆口附近区域明显变薄，腐蚀发生在内表面。打磨抛光爆口周围内侧，并放大观察，与金相图相比，以白色铁素体为主，而黑色珠光体少，表明组织已发生严重脱碳。通过化学浸蚀法暴露金相组织，然后放大观察。浸湿后，对1#管纵向切片厚度中心位置的金相组织进行观察，发现部分区域脱碳，且出现晶界宽化。远离爆口区覆盖有厚度约40m氧化层，有氧化层区域组织未发生明显脱碳，但在相应氧化层开裂位置，发现有向基体内腐蚀倾向。

4、扫描电镜(SEM)及能谱分析。使用FEI Quanta 650扫描电子显微镜观察1#管内表面爆口附近腐蚀区域，表面覆盖一层腐蚀产物，然后进行能谱分析。结果表明，涉及C、O、P、Ca、Cu等相关元素。对1#管纵向切片厚度中心位置的SEM观察表明，沿晶界腐蚀产物呈网状分布。对腐蚀产物进行全面分析，根据生成能谱结果分析，涉及Fe和O元素，表明这是一种由铁氧化物组成的腐蚀物。使用Bruker D8 X射线衍射仪对腐蚀产物进行X射线衍射分析，发现主要为Fe2O3、Fe3O4，未发现NaFeO2和Na2FeO2等碱性腐蚀产物。

5、故障综述和原因。从光谱分析来看，1#管材料成分符合20G钢国家标准要求。通过宏观形貌分析发现，爆口发生在水冷壁管向火侧中部，呈无规律可循窗口状，而且未变形；爆口区厚度明显变薄，变薄从内表面开始；内表面其他区域被红棕色腐蚀产物覆盖，并伴有更多凸起白色积垢。

通过对金相结果的分析，进一步发现金相组织主要是铁素体，几乎无珠光体，表明存在脱碳。在远离爆口内表面发现了小的点状腐蚀凹坑，这些腐蚀坑的一些区域含有氧化膜，该区域无明显的脱碳；有的存在氧化膜开裂，氧化膜对应开裂位置有进一步腐蚀趋势，表明氧化膜对腐蚀介质有一定保护作用，但氧化膜一旦损坏，会向内腐蚀基体组织。

水冷壁管内壁漏点附近的SEM形貌为疏松状腐蚀产物，EDS结果表明，主要含有O、Fe、C、P、Ca、Mg等元素，以及少量的Cl，主要是氧化铁、炉水介质、积垢。通过对晶界腐蚀物的EDS分析，发现Fe和O是最多的元素，表明已生成了大量主要由氧化铁组成的腐蚀物，但未发现NaFeO2和Na2FeO2等碱性腐蚀产物。通过以上试验，1#管有明显酸性腐蚀特征。

在正常情况下，水冷壁内表面将形成致密性较高钝化膜，当锅炉水pH值长期在9～11范围内变化时，钝化膜本质上不会发生变化，对水冷壁内表面起到一定保护作用。然而，当炉水pH值较低时，如残留化学酸洗、异常补给水、换热器冷凝液泄漏、磷酸盐隐藏等，在高温高压下，炉水会在结垢区产生局部蒸浓，氢离子浓度会急剧增加。

二、水冷壁碱性腐蚀爆管案例

1、故障概述。热电部3#炉水冷壁管材为20G，规格为Φ60×5.5mm，计划检修期间，首次发现标高13.5～15.6m的层间三面墙有五处疑似砂眼、裂纹或鼓包缺陷，外表面还悬挂着白色疏松状积盐。经作色检测后，均是故障点。选择一处鼓包典型故障管子（标记为2#管），从鳍片处剖分观察，清洗打磨后鼓包处白色积盐可看到一条长约1.5cm长纵向裂纹；在其对应向火侧内表面有一个凿槽形腐蚀坑，其腐蚀产物疏松，有明显层状，即使轻微敲击也会成片脱落，能完整呈现底部特征。通过仔细观察，是若干小腐蚀坑相连的形貌，最薄处只有1mm厚。

2、原因。对2#管进行试验分析发现，管材化学成分正常；金相组织主要为铁素体+珠光体，无脱碳、过热球化等；X射线衍射结果表明，块状腐蚀物主要成分是Fe

3O4。

从2#管腐蚀位置来看，泄漏位置在水冷壁汽水分界标高处：此处上方管道以水蒸气为主，因蒸汽溶盐能力小，所以大部分盐都溶解在此处。从2#管金相组织看，基体晶粒度正常，无脱碳现象。从腐蚀产物看，能谱显示Fe3O4居多，管内表面腐蚀坑和白色点状腐坑下的金属基质性能无太大变化。泄漏原因是管壁减薄承压力不足，在上述表面，2#管有明显碱性腐蚀特征。发现腐蚀原因是之前发生过凝汽器泄漏，导致循环水进入凝结水系统。由于循环水含有大量游离碱及一定碳酸盐，因此与给水系统接触后会发生反应，生成NaOH及Ca3(PO4)2，NaOH浓度不断升高，Ca3(PO4)2结垢将导致水冷壁内表面温度升高，为碱性腐蚀发生创造了条件。此外，在运行期间，还出现了严重的水质碱性超标现象，这将导致水冷壁发生碱性腐蚀。通过对水冷壁酸碱性腐蚀特性对比分析，水冷壁酸碱性腐蚀具有以下特点和区别：腐蚀源化学特性不同，酸性腐蚀是酸中的氢离子，碱性腐蚀是浓缩的NaOH；腐蚀后金属基体金相组织形貌不同，金属基体的金相组织在酸性腐蚀后会发生明显脱碳，而碱性腐蚀不会，这是两者最显著特点；管壁漏点宏观形态不同，金属基体在酸性腐蚀后脱碳，导致材料强度降低，脆性增加，漏点常破裂和爆管，而碱性腐蚀只会导致金属壁厚变薄，金属基体的机械性无明显降低。当减薄至承受压力不足时，金属基体会发生塑性变形，导致管壁泄漏。尽管酸碱性腐蚀起源不同，但从碱性腐蚀机理来看，当碱性腐蚀达到一定程度时，碱性腐蚀产物Na2FeO2水解后也会产生氢原子，然后形成与酸性腐蚀相同的腐蚀过程，即与内部渗碳体和游离碳发生剧烈的化学反应，生成甲烷，导致金相组织脱碳，因此，酸碱性腐蚀也统称为锅炉氢腐蚀。

三、防范措施

1、钝化膜能起到良好隔离作用，防止腐蚀源与金属基体发生反应。因此，在新锅炉投用前或水冷壁大量更换后，必须及时进行化学清洗，以确保形成完整的钝化膜；同时，应在每次大修期间对水冷壁进行割管检查和定期监督。

2、锅炉水质直接关系到其安全可靠运行，所以需严格按现行规定加强对汽水品质的控制。建议措施为：尽量减少凝结水和精处理水混入锅炉给水，以降低水质失控风险；安装完善的汽水品质在线监控系统，减少对人工化验的依赖，实时准确监控水质；在日常运行中，要定期排污，减少锅炉水中过量的盐和碱；当水质出现异常时，应遵循三级处理原则，及时防止腐蚀进一步扩大。

3、锅炉水冷壁检修时，应严格控制检修过程，防止焊渣、切片等异物进入水冷壁管道，检修后多次清洗，防止因汽水循环不良导致水冷壁局部超温。运行时，还应严格控制炉膛温度，以减少碱性腐蚀NaOH浓缩的可能性。

参考文献：

[1]王鹏举.锅炉水冷壁腐蚀失效的原因[J].腐蚀与防护，2016，37(03):255-258，262.