第 39 卷第 11 期 2003 年 11 月
失效分析
理化检验2物理分册
PTCA ( PAR T A : PH YSICAL TESTIN G)
Vol. 39 No. 11 Nov. 2003
锅炉水冷壁爆管分析
彭国达
(江西电力试验研究院 , 南昌 330006)
摘 要 : 锅炉水冷壁发生了钝边和无明显塑性变形爆管 。通过对失效的锅炉水冷壁管进行宏 观检查 、化学分析和金相试验以及 X 射线衍射分析 ,发现该管向火侧外壁 (烟气侧) 发生了导致管 壁严重减薄的高温硫腐蚀和内壁 (水侧) 垢下酸性腐蚀 ,而垢下腐蚀产物为氢原子渗入基体与 Fe3C 反应生成的 CH4 ,由它引发沿晶微裂纹 ,最终由氢致裂纹引起管材失效 。
1315m 。爆破管外形如图 1a 所示 , 略有鼓包与变 形 ,破口呈窗口型 ,边缘较钝 ,属脆性断口 。向火侧
收稿日期 :2003203219 作者简介 :彭国达 (19692) ,男 ,高级工程师 ,学士 。 ·584 ·
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2 化学检验
(1) 将稀盐酸溶液滴于破口附近的向火面外壁
(外壁沉积物已敲落) ,闻有腐臭气味 ,即产生了 H2S 气体 ,其反应式为 FeS + 2 HCl H2 S ↑+ FeCl2 。
用该方法对后墙其它壁厚减薄的管排进行试验 得到同样的结果 。
(2) 对破口上方向火侧内壁沉积物进行化学成 分分析 。
(a) 爆破口外形示意图
彭国达 :锅炉水冷壁爆管分析
(b) 破口中央横截面 图 1 爆管宏观形貌 (mm) Fig. 1 The macroscopic appearance of failure tube
层靠近管壁处为白色 。管样酸洗后 ,内壁表面可见 数个大小不一的腐蚀坑 ,坑深不到 1mm ,破口正处 于内壁腐蚀坑中 ,破口附近内壁有多条未穿透管壁 的裂纹 ,大部分沿管壁纵向发展 。 1. 2 厚度测量
水浓缩使 H + 浓度变得很高 ,在垢下发生电化学腐
蚀
阳极 :
Fe - 2e
Fe2 +
阴极 :
2 H+ + 2e
2H
腐蚀反应导致垢下管壁金属溶解形成腐蚀坑 ,并产
生氢原子 。
(2) 垢下电解产物氢原子或 H + 受到沉积物的
阻碍不能及时被管内汽水带走 ,部分氢原子沿晶粒
边界渗入金属内部[2 ] , 与组织中的渗碳体发生反
6. 2 高温腐蚀
锅炉运行中如果配风调整不当 ,氧量不足 ,导致
煤粉发生不完全燃烧 ,在炉墙壁面附近形成还原性
气氛 。由于煤中黄铁矿 ( FeS2) 粒子燃烬速度较煤粉
慢 ,且有较低的软化温度 ,易粘附于管壁表面[3 ] ,分
解形成硫化氢或可燃硫等 , 产生了下述高温腐蚀
反应
FeS2
FeS + [ S]
破口处管壁减薄甚多 ,见图 1b 。管外壁未发现 煤粉冲刷和磨损痕迹 ,检查后墙其它管排的向火面 , 也无煤粉冲刷和磨粒磨损痕迹 。后墙水冷壁测厚数 据见表 1 。
表 1 后墙部分水冷壁管向火侧管壁 厚度( 标高 13. 5m)
Tab. 1 Thickness of rear side waterwall tube (at 13. 5m heigt h)
4 金相检验
4. 1 宏观检验 粗磨破口中央横截面并浸入沸腾的 15 % HCl
溶液 ,几分钟后破口内壁有部分区域变为深黑色 ,该 深黑色区的内表层有数条未穿透管壁的裂纹[1 ] 。 4. 2 微观检验
取破口中央横截面作微观组织检验 ,光学显微 镜下 ,其组织为铁素体加珠光体 。爆管时塑性变形 很少 ,只是在破口附近不超过 0. 5mm 范围内铁素 体晶粒有拉长变形现象 。破口附近内壁有大量的沿
atomic hydrogen , some of which caused intergranular microcracks after diffusing into steel and t hen reacting wit h Fe3C in t he metal to form CH4 . The mechanism of failure was hydrogen induced cracking.
(Jiangxi Electric & Power Test and Research Institute , Nanchan 330006 , China)
Abstract : The boiler waterwall tube failed wit h t hick2lipped rupture which did not exhibit significant ductility. By means of macroscopic inspection , chemical composition analysis , metallgrap hic examination and X2ray diffraction , t he conclusions were drawn t hat t he failure tube of boiler waterwall had been suffered from fireside high2temperature sulfur corrosion which resulting in tube t hickness severely reduction and waterside under2deposited acid corrosion producing
Key words : Waterwall tube ; Tube failure ; Under2deposited acid corrosion ; High2temperature sulfur corrosion ;
Hydrogen induced crack
某电厂 3 号锅炉系 SG420213. 72M415 型 ,为自然 循环煤粉炉 ,设计煤种为烟煤 ,固态排渣 ,直流燃烧器 分布于炉膛四角 10～16m 标高位置 ,切圆悬浮燃烧 。 炉膛前后墙布置水冷壁管 120 根 ,左右墙 105 根 。水 冷壁管规格 <60mm ×7mm ,材料为 St 45. 8/ Ⅲ(相当 于 20 G 钢) 。该 炉 投 产 于 1986 年 , 在 累 计 运 行 71 470h后 ,水冷壁发生爆管 ,导致机组停运 。
外壁表面粗糙 ,有较厚的沉积物 ,最外层是暗黄色 , 不能被磁铁吸引 ,其下是黑色沉积物 ,坚硬 、磁铁可 吸 ,爆破管的邻近管排存在同样的现象 。破口附近 外壁有少量短浅且互相平行的横向裂纹 。
管内壁积有坚硬的水垢 ,垢表面是棕褐色 ,垢内
1 宏观检查
1. 1 爆破管外观检查 爆管 位 置 是 在 后 墙 左 数 58 根 向 火 侧 , 标 高
关键词 : 水冷壁 ; 爆管 ; 垢下酸性腐蚀 ; 高温硫腐蚀 ; 氢致裂纹
中图分类号 : T K223. 3 文献标识码 : B 文章编号 : 100124012 (2003) 1120584203
FA IL U RE ANAL YSIS O F BO IL ER WA TERWALL TUB E PENG Guo2da
fire2side surface
5 压扁试验
破口附近管段经压扁试验后 ,管段向火侧内壁 出现数条纵向裂纹 ,裂纹起源于腐蚀坑 ,背火侧没有 裂纹 ,表明向火侧内壁腐蚀坑处金属已脆化 ,塑性远 较背火侧低 。
6 试验结果分析
6. 1 垢下酸性腐蚀导致氢损伤 管内壁向火侧沉积了坚硬致密 、导热性差的水
detected by X2ray diffraction
%
物相 Fe3O4 内层 32. 78 外层 4. 63
Fe2O3 FeO FeS 41. 27 14. 15 11. 79 5. 12 - 64. 14
FeS2 -
8. 78
SiO2 不确定相
-
较少
7. 31 7. 56
表 3 显示 ,外壁附着物的内层主要是铁的氧化 物 ,少部分是 FeS ;而外层中的 FeS 含量极高 ,还沉 积了燃煤中未发生分解的黄铁矿 FeS2 。
表 2 内壁沉积物成分
Tab. 2 Composition of scale on water2side surface %
项目 测定值
SiO2 9. 00
Fe2O3 CaO MgO 74. 10 10. 30 0. 162
ZnO 1. 82
CuO 4. 10
(3) 爆管位置处于后墙炉膛燃烧中心区域 ,该 处水冷壁管热负荷最高 ,内壁容易结垢 。运用化学 酸洗 法 测 出 破 口 附 近 管 内 壁 向 火 侧 的 结 垢 量 为 502g/ m2 ,已达到 DL/ T612 —1996 电力工业锅炉压 力容器监察规程中的酸洗规定值 。
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彭国达 :锅炉水冷壁爆管分析
晶微裂纹 ,见图 2 。越靠近内壁 ,晶界裂纹越多且互 相连接形成网状 ,该特征在内壁表面宏观裂纹的根 部两侧和腐蚀坑处表现得尤为明显 。网状裂纹内充 满了灰色的腐蚀产物 ,而离内壁表面稍远处的微裂 纹为深黑色 ,形如条带 。比较向 、背火侧组织 ,发现 向火侧内壁微裂纹附近珠光体组织稀少甚至没有 , 金属脱碳迹象明显 ;外壁组织仍有团状珠光体存在 , 但珠光体区域已有分散迹象 ,其中的碳化物开始球 化 ,球化级别达 2 级标准 ,说明向火侧有一定程度的 超温现象 ,见图 3 。