作者简介:徐雪霞(19722 ),女,河北大城人,高级工程师,博士.从事金属材料研究.
Em ail:beautymyt h2007@gmail.com
锅炉水冷壁管失效原因分析
徐雪霞1,冯砚厅1,柯 浩1,张道刚1,冀彦昭2
(1.河北省电力研究院,河北石家庄050021;2.河北西柏坡发电有限责任公司,河北平山050040)
摘要:对锅炉水冷壁外壁横向裂纹的产生原因进行了宏观观察、金相组织分析、扫描电镜和能谱分析等。结果表明,锅炉水冷壁管裂纹的形成是由于壁温波动下的轴向交变应力和烟气中腐蚀介质共同作用产生的腐蚀性热疲劳开裂,针对问题的产生提出了具体的防范措施。
关键词:锅炉水冷壁;横向裂纹;热疲劳;腐蚀
中图分类号:T G142,T G113 文献标识码:A 文章编号:100028365(2010)0921222204
A nal ys is o n Fail ur e Ca us e s of
B oile r Wa t e r2c o ol e d Wall Tu be s
XU Xue2xia1,FENG Yan2ting1,KE H ao1,ZHANG Dao2gang1,JI Yan2zhao2
(1.H ebei Electric Pow er R esearch Institute,Shijingzhuang050021,China;2.H ebei Xibaipo Pow er G eneration Co.,Ltd.,Pingshan050040,China)
Abs t rac t:The reasons of transverse cracks on boiler water2cooled wall tube s were analysed by means of macrograph observation,optical micro structure,SEM and EDS analysis.The re sults showed that the cracks belong to corro sion thermal fatigue failure caused by axial alternating stre ss and corro sion medium in gas.In addition,the counter measure s were put forward.
Ke y w ords:Boiler Water2cooled wall tube;Transverse crack;Thermal fatigue;Corro sion
锅炉水冷壁管的可靠性直接关系到电厂机组的安全有效运行,因此,对锅炉水冷壁管的失效分析及在此基础上的预防和监督措施具有重要作用。目前,国内多种锅炉存在水冷壁横向裂纹失效问题[1～3],对之失效机理的研究尚需完善。某电厂锅炉在检修防爆检查时,发现水冷壁管外壁出现大量横向裂纹,结合多种分析方法对裂纹的产生原因和失效机理进行分析,并在此基础上提出针对性措施。
1 概况
某电厂锅炉为B&BW21025/18.32M型亚临界参数、一次中间再热、单锅筒、自然循环、半露天、单炉膛、π型布置、平衡通风、固态排渣煤粉锅炉,最大连续蒸发量1025t/h,过热蒸汽出口压力18.3M Pa,出口温度540℃,锅筒工作压力为19.5M Pa,再热蒸汽流量823.8t/h,再热蒸汽出口压力3.66M Pa,再热蒸汽出口温度为540℃,主给水温度278℃。至本次检修累计运行122497h。
水冷壁采用膜式全焊结构,材质为20G,管径为 60mm×7mm,采用内螺纹管防止系统内发生传热恶化,节距75mm。2009年11月停机进行A级检修,防爆检查发现水冷壁左右墙部分管子存在横向裂纹。标高在20m左右。发生横向裂纹的管子进行了等离子喷涂3Cr13涂层,以防止管子产生高温腐蚀和减少吹灰器吹损。
2 检验结果与分析
2.1 水冷壁横向裂纹特点
对发生裂纹的水冷壁管进行宏观观察,可见管子没有明显的胀粗和鼓包变形,裂纹均位于管子外壁向火侧,方向与管子轴线垂直,密集平行分布,见图1。
图1 水冷壁外壁向火侧横向裂纹
Fig.1 Transverse cracks in the outer side of water2cooled wall tube《铸造技术》09/2010徐雪霞等:锅炉水冷壁管失效原因分析
2.2 金相组织观察
对水冷壁取样进行金相观察,结果如图2。可见向火侧和背火侧的组织均由铁素体和珠光体组成,珠光体呈带状,组织正常。如图2。2.3 裂纹分析
对水冷壁外壁裂纹进行金相观察,可见裂纹由外壁向内壁扩展,呈楔形,扩展路径平直,根部较宽,尖端圆钝,裂纹内部沉积大量腐蚀产物,见图3。
图2 水冷壁管向火侧和背火侧的金相组织
Fig.2 Microstructure at burning side and counter2burning side of water2cooled wall tube
图3 水冷壁外壁向火侧裂纹
Fig.3 Morphology of outside cracks at burning side of water2cooled tube
裂纹尖端形貌如图4。可见裂纹走向以穿晶为主,靠近裂纹外壁处的腐蚀产物颜色较深,裂纹内侧腐蚀产物颜色较浅。
图4 裂纹尖端形貌
Fig.4 Morphology of failure crack tip
采用扫描电镜和能谱仪对裂纹内腐蚀产物进行分析,裂纹内腐蚀产物的线扫描结果如图5。
图5 裂纹中腐蚀产物的线扫描结果
Fig.5 Line2scanning results of corrosion substance in the cracks
可见裂纹内腐蚀产物的化学组成主要为Fe、O、S、C等。比较可以看出,氧的含量在靠近裂纹外壁处
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3
2
2
1
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图6 裂纹近外壁处腐蚀产物的能谱分析
Fig.6 EDS result of corrosion substance at cracks near outside wall of tube
图7 裂纹内侧腐蚀产物的能谱分析
Fig.7 EDS result of corrosion substance at crack near inside wall of tube
较高,靠近裂纹内壁处较低,S则相反,表现为靠近外壁处较低,而靠近内壁处较高。对裂纹中近外壁侧和内侧腐蚀产物进行了能谱分析,结果见图6和图7。
对裂纹近外壁处和内侧的腐蚀产物化学组成进行了定量分析,结果见表2、表3。
表2 裂纹近外壁处腐蚀产物的化学组成
Tab.2 Chemical composition of corrosion substance at crack near outside wall of tube
化学组成w(%)At(%)
C00.1100.30
O26.2153.19
Si00.8400.97
S07.4307.52
Fe65.4138.02
根据能谱分析结果可以看出,裂纹近外壁处主要为Fe的氧化物,并有少量硫化物存在;裂纹内侧腐蚀产物中,硫化物的比例则明显增加。内外侧的腐蚀产物中,S与O的原子比之和大致相等。
表3 裂纹内侧腐蚀产物的化学组成
Tab.3 Chemical composition of corrosion substance at crack near inside wall of tube
化学组成w(%)At(%)
C00.1300.43
O11.7928.10
S22.3826.62
Fe65.6944.85
3 分析与讨论
锅炉受热面管的失效是材料、环境、温度、应力等因素综合作用的结果,准确判定水冷壁管的失效形式,才能为查明原因提供可靠的依据[4]。
锅炉水冷壁管工作的可靠性主要取决于管壁金属的温度工况。对于在正常壁温下具有足够强度的锅炉钢管,高温长期运行下,当管壁温度超过允许值或管壁温度长期波动时,锅炉钢管会因金属强度下降或金属疲劳而破裂。
《铸造技术》09/2010徐雪霞等:锅炉水冷壁管失效原因分析
分析认为,该锅炉水冷壁为全焊式膜式水冷壁,轴向刚性较大而横向刚性小。水冷壁管处于高热负荷区,锅炉启停和不同工况下导致管壁温度大幅度波动,产生轴向交变热应力,由于向火侧壁温变化最大,向火侧壁温峰值也加大,产生的交变热应力也最大,最终导致材料的抗热疲劳能力降低,造成向火侧管壁外侧发生热疲劳破坏。
另外,燃料煤中硫及其它有害杂质的存在,使水冷壁管普遍受到高温腐蚀,其中硫化物是高温腐蚀的主要因素[5]。烟气中的硫化氢等腐蚀介质从水冷壁管涂层孔隙中进入,与管壁金属作用产生腐蚀,并易于成为应力集中点和裂纹源。具体过程分析如下:煤粉中Fe 的硫化物分解出自由态的硫原子,另外如管壁附近有一定浓度的H2S和SO2,也会分解出自由态的硫原子,由于缺氧,硫的燃烧和三氧化硫的形成发生困难,因此游离态的硫和硫化物便与管壁金属的Fe反应生成FeS,生成的FeS又进一步氧化生成Fe3O4,使管壁腐蚀,并成为应力集中点和裂纹源。在轴向交变应力和腐蚀介质的共同作用下,金属的抗热疲劳强度降低,最终水冷壁管产生横向裂纹。
在裂纹扩展过程中,高温下伴随明显的氧化和腐蚀。由于腐蚀过程首先是生成Fe的硫化物,继而进一步氧化生成Fe的氧化物,裂纹中的氧化皮不断裂开,新的腐蚀介质不断进入发生反应,使裂纹不断扩展,因此,裂纹内的腐蚀产物表现为靠近外壁侧的腐蚀产物以Fe的氧化物为主,内侧的腐蚀产物则硫化物比例明显升高。上述分析结果可以通过能谱分析结果得到验证。
综上所述,水冷壁横向裂纹是轴向交变应力和腐蚀介质共同作用下的腐蚀性热疲劳裂纹。
4 结语
水冷壁管的横向裂纹是壁温波动下的轴向交变应力和炉膛烟气中的腐蚀介质共同作用产生的腐蚀性热疲劳裂纹。为了预防此类失效问题,需要进行以下工作:加强化学监督,严格控制炉水工况和汽、水品质,减少管内结垢,从而降低向火侧壁温升高趋势;对水冷壁管进行酸洗除垢,以形成保护膜提高管壁抗腐蚀能力;在机组启停、调峰过程中严格遵守操作规程,避免关停锅炉强制冷却,机组长期低负荷运行时间;在涂层保护方面,要改进喷涂工艺,降低涂层孔隙率,可进行封孔处理,从而提高涂层的保护能力。
参考文献
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[4] 王金妹,李建新,梁 凯,等.300MW锅炉水冷壁横向
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[5] 胡双南,许宏宇.解决锅炉水冷壁高温腐蚀和磨损方法
之热喷涂技术[J].锅炉制造,2009,(4):16218.
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