锅炉水冷壁区域高温腐蚀及横向裂纹原因及对策分析

韩家才

天津市特种设备监督检验技术研究院，天津，300050

0 引言

1 锅炉水冷壁区域高温腐蚀原因及其预防对策

1.1 高温腐蚀的原因

锅炉水冷壁烟气一侧高温腐蚀过程是相对复杂的，一般情况下，认为导致锅炉水冷壁高温腐蚀的因素主要有以下几点：

第一，燃煤含硫量较高，其主要作用于水冷壁外管。

第二，锅炉内含有可燃物的煤粉火焰对锅炉水冷壁外管面直接产生冲刷。

第三，水冷壁长时间处于还原性气氛环境中，产生氧化还原反应。

第四，水冷壁所处的环境中煤含硫量较高，水冷壁外部沉积物化学构成也容易造成高温腐蚀产生。

第五，水冷壁外部因为长期受到含有大量未燃烬煤粉火焰的冲刷，导致硫化亚铁和煤粉颗粒一起附着在壁管上，在炉内催化作用下，形成原子S和SO3，对水冷壁造成高温腐蚀[3]。

第六，在锅炉缺氧环境下，水冷壁面附近还原性气体中的H2S与CO浓度较大的情况下，会导致水冷壁出现高温腐蚀现象。相关研究数据显示，处于还原性环境中，烟气中H2S的浓度超过0.01%时，会导致钢材的腐蚀作用加大，尤其是在300℃～500℃情况下，腐蚀性进一步增强。

黑龙江省超前完成全面建立河长制目标，启动“一河一策”方案编制工作。印发水资源“双控行动”实施方案和工作方案，制定乌裕尔河、讷谟尔河、双阳河、牡丹江4条跨市江河流域水量分配方案。开展取水许可权限下放，明确职能承接要求。加强农业灌溉取水许可管理。制定地下水压采方案，出台农业水价综合改革实施计划，完成年度县域节水型社会建设任务，修订《用水定额》地方标准，部分调整水资源费和水土保持补偿费征收标准。制定水功能区、入河排污口监督管理办法实施细则。印发重要饮用水水源地安全保障达标规划，各地制定重要饮用水源地突发事件应急预案。

1.2 高温腐蚀防治对策

针对以燃煤为主要能源消耗的电厂锅炉来说，煤质具有含硫量高的特性，所以，针对这类锅炉水冷壁的高温腐蚀问题，需要采取具有一定针对性的预防和防治措施：

第一，要合理选择热力参数以及炉膛结构参数，确保炉膛出口温度适宜。一般来说，要选择合理的边排燃烧器到侧水冷壁距离，下排燃烧器到冷灰斗拐点距离，能够避免火焰对水冷壁外壁的直接冲刷，这样可以减少炉膛水冷壁结渣以及高温腐蚀问题的发生[4]。此外，还要选择合理的上排燃烧器到屏底的距离，将屏底的烟温控制在合理水平，防止高温腐蚀。

第二，科学设置内管参数，强化工质侧传热现象，还要降低水冷壁管表面温度水平，减少高温腐蚀现象发生。

第三，在燃烬风选择上，可以选择双气流结构以及相关布置形式，燃烬风封口一般有两股气流，即中央部位气流，这种气流能够直接穿透进入炉膛中心位置，补充燃烬中需要的空气，边部风是旋转气流，容易在水冷壁表面形成氧化环境，这样可以防止煤粉颗粒对水冷壁的冲刷作用[5]。在燃烬风口要进一步优化相应的布置形式，让燃烬风沿着炉宽方向覆盖一次风，避免粉煤颗粒出现逃逸情况，这样也可以避免燃烧器区域接近两边墙体的位置出现高温腐蚀现象。一般可以在燃烬风布置中，靠近侧墙位置布置最佳，这样就可以形成一个局部的低温风屏，对于火焰冲刷作用能够形成一个屏障，有效保护水冷壁不受火焰冲刷。

第四，进一步调整燃烧器脱战锥的角度，避免锅炉火焰过早地扩散造成对于水冷壁的冲刷。

第五，采取上述措施还不能完全避免水冷壁高温腐蚀现象的出现，可以尝试使用在水冷壁和高温受热面进行抗腐蚀喷涂，喷涂处理一次性投资会比较大，但是能够防止因为腐蚀导致的壁管变薄以及换管情况，这对于锅炉的长期有效运营效益实现也是有利的。

2 水冷壁横向裂纹原因及防治对策

2.1 横向裂纹原因

电厂锅炉运行中，导致水冷壁出现横向裂纹的因素比较多，在国内大容量机组中，很多直流锅炉都出现过横向裂纹引发的泄漏事故。因为负荷变化导致水冷壁的壁温出现波动，由此产生交变热应力，这是锅炉自然循环中常见的现象[6]。所以，对于锅炉特征以及相关运行情况，需要做好分析，把握导致横向裂纹的具体原因，才能够采取针对性的预防和防治措施。

2.1.1 水冷壁管失效特征

导致锅炉受热面管子失效的因素较多，材料方面、温度方面、应力作用、环境因素等，不同因素导致的损坏也是不一样的，对应的机理也是不同的。所以，需要对于水冷壁管失效形式进行准确判断。从锅炉水冷壁裂纹管的外形来看，裂纹泄漏位置的破口并不大，管段也不会有明显的胀粗情况，所以管壁的减薄量较小。针对炉内水冷壁外观检查可以看出，在燃烧器周围水冷壁管子外壁上，存在厚度约为1mm的氧化皮，这是锅炉在运行中，因为燃烧切圆过大或倾斜导致的火焰贴壁导致的。不过，在右侧水冷壁裂纹泄漏位置并没有出现氧化皮现象。在开展金相检查后发现，裂纹管向火位置的内外壁都有碳化物聚集，其中包含碳素体聚集和石墨析出导致的球化现象。所以，可以判断水冷管失效并不是短期超温导致的。

通过肉眼观察，裂纹管向火侧内壁上出现了很多垂直于管子轴线的环向裂纹，这种裂纹呈现缝隙状，管子内壁上也有很多细小的裂纹。这种裂纹主要是因为交变热应力导致的热疲劳裂纹[7]。

2.1.2 结垢

针对出现横向裂纹的水冷壁壁管进行检查，发现在水冷壁内壁中，结垢的情况比较突出。在CE公司规定中，结垢量超过15mg/cm2属于中等结垢，结垢量超过40mg/cm2属于严重结垢现象。通过对相关电厂的锅炉水冷壁结垢现象进行调查分析，发现水冷壁内壁结垢物质中，含铁量比较高，氧化铜含量也超标，磷酸盐成分较低。结合相关试样情况分析，这种管内结垢已经属于严重情况了。在检查的样本馆内，不仅有坑蚀，一些位置的内螺纹已经完全被腐蚀了。相对而言，背火侧管的内壁更加干净，结垢现象几乎没有[8]。就这类锅炉水冷壁其他部位的切割和检查结果来看，不同位置管子的结垢程度是有一定差异的。研究发现，水冷壁的管道结垢后出现的水冷壁管金相组织结构的分裂。可见，水垢的产生导致管道金相组织出现很多裂缝，这些污垢不断腐蚀管道，日积月累，导致水冷壁最终爆管，产生泄漏。相对而言，水垢的导热系数相对水管是比较低的，一般为金属导管导热系数的几十分之一，因为水垢的存在，会导致水冷壁的导热系数大大降低，也会造成管壁温度的快速上升，而且水垢在相应状态下，因为电化学作用，可能产生微电池效应，如果给水中含有大量的铁离子、铜离子时，就会加重结垢现象，进而产生对管道的腐蚀作用。

通过对某电厂的锅炉水冷壁泄漏管样本的分析调查发现，水冷壁管子横向裂纹和垢下腐蚀关系较大。要是酸洗不能及时进行，水冷壁结垢情况会进一步加重。可见，水冷壁结垢和热负荷之间是线性关系，一般区域热负荷情况越高，水冷壁管子的内壁结垢情况也会越严重，由此产生的腐蚀情况也会越严重。

2.2 水冷壁横向裂纹防治对策

针对水冷壁横向裂纹进行防治，需要采取正确的防治方法，这对于减少水冷壁泄漏问题、延长水冷壁使用期限都具有重要作用。所以，针对水冷壁横向裂纹，应该采取的措施包括以下几点：

第一，在锅炉工作的过程中，要做好质量监控工作，尤其是对汽包水位进行密切监督，及时调整异常现象，确保水位的稳定。对于炉内的热负荷要做好妥善的分配处理，确保热负荷平衡均匀分布，避免火焰偏斜的现象发生。如果锅炉内的给水温度出现下降情况，此时需要对总燃烧量进行控制，杜绝低强带负荷出现造成水冷壁管破裂。

第二，进行化学制水时，对于相关的化学制水工序、设备、器材等进行严密的监察，及时关注相关参数，确保每一个环节的制水都能符合质量要求，对于一些装置进行定期检查和更换，确保制作效果，例如，针对化学除氧的乙醛装置需进行有效检查，必要时实施更换，确保除氧达标。

第三，要针对汽轮机的凝汽器真空装置进行检查，确保真空系统的密封性完好无损，防止因为泄露产生的锅炉给水污染，对于凝结水的水质要进行化验处理，及时掌握水质异常的环节，以便针对性地采取补救措施。

第四，在锅炉开始启动后，要对锅炉炉内的温度、气压等进行严格控制，确保温度和气压都能稳步缓慢提升，避免出现快速升温和升压现象出现，这需要在进行开始的炉内上水时，就严格对水文和汽包上下壁温差进行控制。

第五，在停炉以前，要减少燃烧量，把握好减负荷的速度，对于炉内的水温、气压等情况进行密切的关注和监察，及时发现异常现象，并能快速响应。

第六，锅炉水冷壁管爆管的原因中，腐蚀也是最常见的原因之一，因此，需要针对锅炉的水冷壁管腐蚀问题，制定相应的防腐蚀方案，对于可能出现的腐蚀现象进行严密监察和管控。结垢导致管道腐蚀的重要因素之一，在水冷壁运行中，发现大部分的污垢的主要成分是盐类，针对这类污垢进行防治，可以通过酸洗的方式来实现，这种防垢方法在管壳式换热器中也比较常见。可以使用有机酸和无机酸作为主要酸洗溶液，其中，有机酸常见的有甲酸、草酸等；无机酸包含盐酸、硝酸等。实施酸洗处理中，需要对照换热器主要结垢以及工艺等情况，针对换热器材质以及污垢成分分析后，选择适宜的酸洗溶液来进行酸洗除垢，还需要注意相关酸洗溶液对管道的腐蚀情况。这种防垢技术以化学原理为基础，其中包含了溶解作用、剥离作用、疏松作用。目前，相关技术不断改进，锅炉水冷壁防垢方法也在不断优化和改善，新技术、新方法越来越多，如，磁场除垢、高压静电及高频电磁场防垢、声学防垢等新方法都得到了不同程度的应用。在锅炉生产企业中，一般多选用化学防垢技术，上述提到的几种就是化学防垢技术。但是考虑到化学防垢处理一般成本比较高，且容易导致换热设备和管道的腐蚀，所以应用范围也有一定限制。

第七，要重点开展对炉水的监控工作，确保锅炉启动前的水做好了除盐和除氧处理，在点炉后，如果发现水质浑浊或者蒸汽不达标，也要加大排污次数和量，确保不合格的水能够通过排污处理快速被排除系统外。此外，为了加固水冷壁管质量，还可以定期对水冷壁管进行超音速电弧喷涂。

第八，做好锅炉水冷壁的质量和安全检查和管理工作。重点检查热力公司的锅炉、水冷壁、压力容器、压力管道等各类特种设备使用登记证照是否在检验有效期内；安全附件是否配备齐全；安全管理人员和作业人员是否具备有效证件。查看锅炉操作人员持证上岗情况；锅炉相关运行、交接班和维护保养记录；安全管理制度建立情况；应急预案流程等。在检查过程中，执法人员要求严格落实特种设备安全主体责任，进一步增强安全生产的紧迫感和责任感，加大对各项安全措施的监督和管理力度，针对锅炉水冷壁故障问题提高重视，在检查中强化对锅炉水冷壁的检测工作，避免水冷壁区域高温腐蚀问题能够缓解，及时清理管道内的结垢问题，做好预防结垢现象等工作，要时刻绷紧“安全”这根弦，积极开展自查自纠，排查生产安全隐患，做到及早发现，及时处置，确保供热系统安全运转。

3 结论

锅炉水冷壁区域高温腐蚀和横向裂纹问题对于锅炉的安全有序运营有重要影响，会导致锅炉管道泄漏，严重影响安全生产秩序和生产效益。本文对于锅炉水冷壁区域高温腐蚀现象的原因进行了分析，对导致水冷壁横向裂纹的因素进行了研究，提出具体的预防和防治对策，对于指导电厂锅炉运营管理具有一定的参考价值。