渗铝水冷壁管失效分析与处理
徐 洪
江苏省电力试验研究院 (江苏 210036）
[摘 要] 正常情况下，在扩散渗铝步骤中（960℃，6h）水冷壁管内壁大约要产生200g/m2 以上的氧化铁皮。但如果除油除锈后仅对水冷壁管表面助镀而忽视内壁处理就进行热浸铝，则在最后的扩散渗铝步骤中水冷壁管内壁某些部位就会严重氧化，生成大量疏松的氧化铁皮，厚度可达到0.3~0.4mm 以上。这些部位的金属在锅炉运行中由于传热受阻而过热，致使水冷壁局部温度远远超过20G 钢500℃的极限温度，短期内发生鼓包、爆漏。锅炉进行卫燃带更换渗铝管改造后，必须进行化学清洗，以彻底消除渗铝水冷壁管内壁氧化皮的不良影响。
[关键词] 渗铝钢 水冷壁管 失效 化学清洗
Failure Analysis and treatment of Alμminized Water
Wall Tube
XU HONG
Jiangsu Electric Power Research Institute，210036，China
Abstract: In ordinary condition，there is about 200 g/m2 of iron scale formed on the inner surface of the water wall
tubes during the period in which 20G steel tubes are diffusion treated in the sealed crucible at 960℃ for 6 hours. Huge
amounts of porous iron scale would form on partial areas of the inner surface if the water wall tubes are hot dipped in the
alμminμm bath before the proper treats of the completed chemical cleaning procedure. The very little coefficient of
thermal conductivity of the porous iron scale would result in apparently higher temperature in the partial areas of water
wall tubes than the permissible limit of 500℃ for 20G steel when boiler operated. The water wall tubes might even bulge
in short term. Chemical cleaning should be concerned preceding the startup of the boiler for which alμminized water wall
tubes have been replaced.
Keyword: alμminized steel water wall tubes failure chemical cleaning
1 前言
电站锅炉中的“四管”，即省煤器管、水冷壁管、过热器管、再热器管，因为受到含有硬质颗粒及腐蚀性介质的冲刷磨损和腐蚀而导致爆管停机的问题，是电厂生产中主要隐患之一。特别是水冷壁管，数量多，面积大，在燃用高硫质煤时，受到严重的高温腐蚀，严重影响机组的安全运行。我国大部分电厂因燃用不同含硫量的煤，均不同程度存在水冷壁高温硫腐蚀现象，腐蚀发生的区域通常在燃烧器中心位置标高上下热负荷较高处。为了防止高温硫腐蚀，火电厂在水冷壁中设置卫燃带，常采用渗铝管。渗铝管在大多数电厂的水冷壁管起到了良好的耐腐蚀作用，累计运行达50000h 以上，未发生腐蚀减薄[1]。但是，也有一些电厂渗铝管使用几十个小时就发生爆管的事故[2]。
江苏新海发电有限公司曾于2006 年5 月20 日发生12 号锅炉(670t/h)新更换的水冷壁管发生大面积鼓包泄漏事故。该锅炉在当年的A 级检修期间，更换了南北侧墙水冷壁管共150根。管子规格Ф60×6.5，材料为20G。为了增加管子抗高温腐蚀性能，委托专业公司对水冷壁外壁进行了渗铝处理。12 号机组大修后于4 月30 日启动，运行仅一天就被调停。5 月15 日2 时20 分12 号锅炉经五一长假调停后重新点火，7 时40 分发电机组并网。5 月20 日15 时30 分左右，运行人员检查发现12 号炉31 米标高北侧水冷壁有泄漏声，锅炉降压运行，5 月22 日21 时26 分12 号机组调停消缺。停炉检查，发现北侧水冷壁有20 根发生鼓包（其中3 根泄漏），南侧墙水冷壁有7 根发生鼓包。发生鼓包的管子均为本次A 级检修中新更换的渗铝管，且基本上分布在D 层燃烧室标高上下。诊断为渗铝水冷壁管内壁氧化皮所致。
本文详细介绍该次锅炉失效事件的理化检验结果、根原因分析、失效机理及处理方法等。
2 失效点理化检验
对鼓包和未鼓包的渗铝管进行抽样割管，将管子沿纵向剖开检查管子内壁情况。发现管子向火侧和背火侧内壁均存在一定厚度的氧化皮，化学分析结果为Fe2O3。鼓包附近氧化皮较厚，最大厚度0.4mm 左右，垢量为468.2g/m2，其中97.74%成分为三氧化二铁；未爆管部位内壁氧化层稍薄，厚度在0.2mm 左右，垢量为288g/m2。鼓包处内壁氧化皮已脱落，留下一圈淡淡的白色浓缩残留，对应的管子外壁有溃疡状过热烧损痕迹。
对水冷壁渗铝管鼓包处取样分析，背火面金相组织：珠光体+铁素体，珠光体区域的碳化物呈片状，珠光体形态明显，原始组织，未球化，球化级别Ⅰ级；向火面鼓包处：珠光体区域尚保留其形态，珠光体中的碳化物多数呈粒状，密度减小，晶界碳化物出现链状，中度球化，球化级别Ⅳ级。
此外，从仓库中割取新渗铝水冷壁管进行试验，金相组织：珠光体+铁素体，珠光体区域的碳化物呈片状，珠光体形态明显，原始组织，未球化，球化级别Ⅰ级。
可见，新渗铝水冷壁管与鼓包部位背火侧基本相同，而鼓包部位向火侧则存在明显的过热现象。
3 结果讨论与失效处理
3.1 渗铝管失效屡见不鲜
钢材渗铝是一种表面渗金属的热处理方法，属于化学热处理范畴。它是通过物理或化学的方法在钢材表面形成一种铝铁合金层，使之具有抗高温氧化性、耐硫化氢腐蚀以及耐环烷酸腐蚀等优良性能。在某些特定的环境下可以用普通渗铝钢材代替不锈钢，因此具有很重要的经济价值。20 世纪30 年代，国外开始出现渗铝这种化学热处理工艺。在20 世纪50 年代末，我国也开始研究渗铝工艺[3]。
最早使用的渗铝管为内、外壁全渗，但运行一段时间后发现，内壁结垢比未渗铝管严重，导致管壁过热，最后发生管壁胀粗、鼓包事故。经过试验研究，仅外壁渗铝的锅炉钢管，内壁可保持原始表面状态，从而提高了使用安全性。但外壁渗铝管在加工时，特别是扩散处理，如果工艺不当，会发生内壁严重氧化，形成很厚的氧化铁皮，对运行安全造成更大危害。早在三十年前，宝鸡发电厂就曾发生过2 号锅炉使用渗铝水冷壁管仅几十小时就发生鼓包、爆管的事故[2]。
1993 年，贵溪电厂为了解决2 号炉燃烧器布置区段的水冷壁高温腐蚀问题，在2 号锅炉（型号为SG420/140/540/540-M414）大修时将该区段水冷壁部分更换为渗铝管，更换管排位于炉膛各墙的中间位置，其中前后墙更换65 根，左右墙更换39 根。该渗铝管为焊接鳍片膜式管，采用浸渍外渗铝工艺，渗铝层深约0.15mm，呈齿状组织伸向管材基体。2 号炉渗铝水冷壁管投入运行后，陆续发生四次泄漏。第一次泄漏是鼓包明显，观察鼓包点附近金相组织，珠光体球化严重，鼓包点处铁素体晶粒拉长变形，但运行时间不到500h。其后几次泄漏也观察到金相组织有轻微球化现象。渗铝水冷壁管内壁附有一层致密附着物，
均匀分布于整个管圈，厚度在1mm 左右。向火侧还有少量的白色沉积物。对水冷壁向火侧、背火侧内壁附着物进行化学分析，附着物达539g/m2，其中90%以上为铁的氧化物，其它几次管内壁情况与第一次相似[4]。
西柏坡发电厂1 号锅炉（型号为WB-1025/18.3-M）于1994 年12 月26 日移交生产。
水冷壁采用膜式全焊结构，水冷壁管前后墙各177 根，两侧墙共163 根，共680 根。1995年2 月大修中检查发现水冷壁左侧墙燃烧器区域出现了较大面积的高温腐蚀区，水冷壁管子壁厚减薄平均在1~2mm，严重处在2~3mm。根据强度校核和腐蚀速率的计算，决定更换壁厚小于6.5mm 的管子共41 根。1996 年1 月，1 号炉小修中，对水冷壁又进行了全面
的检查，发现高温腐蚀继续发展。于是1997 年7 月1 号炉小修时，在水冷壁右墙更换了40 根渗铝管，但仅运行了3 个月便有一根渗铝管发生泄漏。检查又发现有6 处已有裂纹但尚未爆开的部位，因此该厂决定不再使用渗铝管[1]。
凡此种种案例，均与江苏新海发电有限公司12 号锅炉2006 年5 月20 日发生的新更换之渗铝水冷壁管大面积鼓包泄漏事故如出一辙。而江苏新海发电有限公司早在1998 年就曾发生过11 号锅炉(670t/h)渗铝水冷壁管投运仅一周即爆漏停运的事故。渗铝管失效事故层出不穷，我们必须予以足够重视。
3.2 渗铝管加工不当是失效的根原因
渗铝钢的生产方法有热浸渗铝、粉末渗铝、感应渗铝、气相渗铝、料浆渗铝和镀铝等。
目前常用的是前三种，而且热浸渗铝尤甚，占80%，粉末渗铝占15%，感应渗铝占5%[5]。
江苏新海发电有限公司12 号锅炉2006 年大修中更换的水冷壁管系上海宝钢生产，由张家港市华电电力设备制造有限公司负责渗铝。该公司采用的是热浸渗铝法工艺。要弄清楚为什么热浸渗铝水冷壁管内壁常常存在较厚的氧化铁皮，首先必须了解热浸渗铝工艺过程。
热浸渗铝工艺过程通常为：钢件表面除油→水冲洗→除锈→水冲洗→烘干→热浸铝→扩散渗铝→水冲洗→晾干入库[5]。
取水冷壁管，经除油、除锈和表面预处理后浸入740℃左右的纯铝液中处理8~10min（可长达1h），取出后甩光，即得热镀铝样品。经上述处理的样品，在900~980℃的加热炉中保温4~6h，进行退火扩散处理，即得渗铝样品[6]。
热浸渗铝组织的结构分两层：热浸渗铝有镀铝层和渗铝层组成。表层为镀铝层，该层含铝量较高。一般新铝液为纯铝液，镀铝层应是纯铝层。镀铝层经高温扩散处理后，铁分子在铝液中扩散，其显微组织中往往有条状或块状的铝铁化合物相存在，即所谓次表层——渗铝层（过渡层），主要由Fe2Al5 及FeAl3 等铝铁化合物相组成。由于渗铝层是由铝铁化合物相组成，其具有抗高温氧化性能，硬度和强度高。
表面预处理亦称助镀，是渗铝件的关键步骤。除锈后钢件露出的活性金属表面在空气中极易氧化，一旦产生氧化，不但不能浸上铝，而且也无法进行扩散，从而产生漏渗。热浸时必须保持这个活性面与铝液接触，以保证铝原子直接渗到基体中去。在热浸铝前对活性表面加以保护，在活性表面产生一层钝化保护膜。热浸时，此膜很快溶解，又露出原来的活性表面，以便热浸铝。
但如果除油除锈后水冷壁管内壁没有经过适当的表面预处理就对外壁进行热浸铝，则在其后的步骤尤其是扩散渗铝步骤中水冷壁管内壁不可避免会产生较厚的氧化铁皮。
20 钢氧化试验结果表明，900℃下在空气中加热氧化100h，未渗铝及渗铝之20 钢氧化速率分别为28.91g/(m2·h)和0.19 g/(m2·h) [7]。900℃下在空气中加热时未渗铝20 钢氧化速率竟然是渗铝20 钢的152 倍。正常情况下，在扩散渗铝步骤中，水冷壁管内壁大约要产生200g/m2 以上的氧化铁皮（扩散渗铝步骤的温度一般为960℃，超过900℃）。但如果除油除锈后仅对水冷壁管进行表面助镀而完全没有考虑内壁就进行热浸铝，则在最后的扩散渗铝步骤中水冷壁管内壁某些部位所生成的氧化铁量可能会远远超过200g/m2。
3.3 失效机理是垢下金属局部过热
在所有垢中，氧化铁皮的导热性是最差的。几种常见的水垢导热系数由高到低依次为：碳酸盐水垢、硫酸盐水垢、硅酸盐水垢、氧化铁垢。20 钢在300~400℃范围内的导热系数为42.3～46.1W/(m·℃)[8]，而氧化铁仅为0.11～0.2W/(m·℃)，前者是后者的几百倍[9]。
结垢的水冷壁内壁温度可由下式求得：
t2=t4+(1/α+S/λ）×Q （1）
式中：
t2：管内壁温度（℃）
t4：管内介质温度（℃）
α：沸腾面的传热系数（W/(m2·℃))
S：水垢的厚度（m）
λ：水垢的导热系数W/(m·℃)）
Q：热负荷（W/m2)
一般S/λ 要比1/α 大1 个数量级以上，在粗略计算时1/α 可忽略不计。
锅炉参数越高，水冷壁结垢引起过热失效的危险性就越大，因为饱和温度随压力升高。
由（1）式可以得出氧化铁垢厚度的粗略计算公式：
S=(t2-t4)·λ/Q （2）
200MW 机组参数一般为：锅炉汽包压力为15.4MPa，汽包温度340℃。如果水冷壁的热负荷为105W/m2，导热系数取中间值0.15W/(m·℃)，可以算出，要使水冷壁温低于500℃，则氧化铁垢厚度极限值为0.24mm。折算成氧化铁垢量极限值为1250g/m2（三氧化二铁密度5.24 g/cm3，四氧化三铁密度5.18g/cm3。氧化铁密度取两者平均值5.21 g/cm3）。又因为碳钢在450℃以上长期运行将产生石墨化，所以作为受热面管子的长期使用温度宜控制在450℃以下[8]。相应地，可以认为氧化铁垢量控制在860g/m2 以下应该是安全的。
鼓包附近处氧化皮为468.2g/m2，未爆管部位内壁氧化皮为288g/m2。显然，远低于氧化铁垢量极限值。为什么水冷壁管会在短期内鼓包呢？我们注意到，鼓包处内壁氧化皮脱落处留下了一圈淡淡的白色浓缩残留。我们还注意到，鼓包附近处氧化皮最大厚度为0.4mm左右，但垢量仅为468.2g/m2，其中97.74%成分为三氧化二铁；未爆管部位内壁氧化层厚度为0.2mm 左右，垢量仅为288g/m2。照此计算，垢的密度仅为1.17~1.44 g/m2，远低于氧化铁垢密度。可见水冷壁管内壁的氧化铁垢是疏松、多孔的，孔隙率高达75%。锅炉运行中，炉水浸入氧化铁垢的孔隙中蒸发、浓缩，产生白色的浓缩沉积物（磷酸盐）。在500℃、15MPa 工况下，水蒸气的导热系数为0.0824W/(m·℃)，仅为氧化铁垢的一半，可见疏松的
氧化铁垢之导热性能尚不及氧化铁垢。即使把疏松的氧化铁垢比照氧化铁垢计算，当附着的氧化铁垢厚度为0.3mm 时，如果水冷壁的热负荷为105W/m2，则由于氧化铁垢的存在，会使管壁温度升高200℃左右，高达540℃以上（20G 钢导热系数是氧化铁垢的数百倍，因此水冷壁管内、外壁温差可忽略不计），已超过20G 钢500℃的使用极限，在较短时间内就会就会在蒸汽压力作用下产生蠕变变形（鼓包），继而产生蠕变断裂（爆管）。事实上，新海发电有限公司12 号锅炉水冷壁鼓包附近氧化皮最大厚度已达0.4mm 左右，根据鼓包处水冷壁管外壁有溃疡状过热烧损痕迹判断，该处管壁温度肯定远大于500℃。而氧化铁垢厚度为0.2mm 处水冷壁管内壁温度为470℃左右，低于20G 钢500℃的使用极限，短期内不会产生蠕变变形，长期运行则可能产生石墨化。
3.4 改造后对锅炉进行化学清洗是防止失效的有效措施根据《火力发电厂锅炉化学清洗导则》（DL/T794-2001）的规定，对于主蒸汽压力超过12.74MPa 的汽包锅炉，当水冷壁向火侧垢量达到300~400 g/m2 时必须进行化学清洗。鼓包附近处氧化皮为468.2g/m2，未爆管部位内壁氧化皮为288g/m2。显然，前者已超过化学清洗的上限，后者也已接近化学清洗的下限。
为了防止水冷壁管鼓包事故再次发生，必须消除内壁氧化铁垢隐患。对锅炉进行化学清洗是行之有效的措施。前述贵溪电厂1993 年2 号锅炉、西柏坡发电厂1997 年1 号锅炉、新海电厂1998 年11 号锅炉以及2006 年12 号锅炉鼓包爆漏事故均是由于卫燃带更换的渗铝水冷壁管没有进行过化学清洗。但鼓包事故发生后，无论是贵溪电厂还是西柏坡发电厂都没有考虑对锅炉进行化学清洗，而是听之任之，甚至决定不再使用渗铝管[1]。新海发电有限公司1998 年11 号锅炉鼓包事故发生后进行了化学清洗，锅炉从此安然无恙。但那次化学清洗采用的是常规清洗方案，从开始安装临时系统到酸洗结束耗时20 多天，使电厂蒙受巨大损失。新海电厂2006 年12 号锅炉鼓包爆漏事故发生后，采用了常温浸泡盐酸清洗新工艺，仅用了三天时间就圆满完成了酸洗任务，使机组重新投入运行。
4 结论
锅炉卫燃带进行更换渗铝管改造后投运，短期内发生鼓包、爆漏事故的罪魁祸首是水冷壁管内壁存在的大量氧化皮。这些氧化皮是由于渗铝工艺不当所造成的。锅炉改造后投运前进行化学清洗是遏制鼓包事故的有效措施。
参考文献
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