鍋爐防磨防爆水冷壁管氫腐蝕原因分析

    本文介紹了大型電廠鍋爐水冷壁在高負(fù)荷區(qū)經(jīng)常發(fā)生氫腐蝕爆管的情況，并采用理化、金相等技術(shù)手段，進(jìn)行分析，指出了其共性特征和形成機(jī)理。

一、概述

    當(dāng)金屬和周圍介質(zhì)接觸時(shí)，由于發(fā)生化學(xué)作用和電化學(xué)作用而引起的破壞叫做金屬腐蝕。金屬腐蝕現(xiàn)象十分普遍。電站金屬材料可發(fā)生氫腐蝕、氧腐蝕、硫腐蝕、應(yīng)力腐蝕等多種腐蝕。在高溫高壓下，鋼中的碳及滲碳體與滲入的氫發(fā)生反應(yīng)，生成甲烷，致使鋼內(nèi)部脫碳并形成裂紋，稱之為氫腐蝕。氫腐蝕是一種不可逆的反應(yīng)，形成速度快，破壞性強(qiáng)，嚴(yán)重影響電廠的鍋爐防磨防爆工作并對電廠的安全生產(chǎn)造成很大威脅。國內(nèi)不少電站鍋爐都發(fā)生過水冷壁管的氫腐蝕事故，不僅嚴(yán)重影響了電廠的安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)效益，而且?guī)砹瞬焕纳鐣?huì)影響。

二、氫腐蝕爆管的判定

    水冷壁發(fā)生爆管的原因是多種多樣的。水冷壁發(fā)生爆管后，要從多方面對爆管的性質(zhì)進(jìn)行判定。

    水冷壁氫腐蝕爆管的一般判定程序如下。

2.1 宏觀分析

    氫腐蝕主要發(fā)生在水冷壁管的向火側(cè)的高負(fù)荷區(qū)。水冷壁氫腐蝕爆管的宏觀形貌。爆口附近管徑基本沒有脹粗，邊緣粗鈍，爆口管壁減薄較少，呈脆性破壞。管壁內(nèi)表面有明顯的腐蝕區(qū)，腐蝕區(qū)內(nèi)可見大小不一、深度不等的的腐蝕坑，蝕坑呈潰瘍狀，有彎彎曲曲的小溝道。腐蝕產(chǎn)物可用銳器剝離。爆口處管內(nèi)壁有堅(jiān)硬的褐紅色腐蝕產(chǎn)物，內(nèi)壁腐蝕使管壁減薄，在最薄處爆管。

2.2 微觀分析

    對爆破管進(jìn)行金相分析，觀察裂紋的形態(tài)、深度及金相組織情況，結(jié)果如下：

    1.拋光后(未浸蝕)，在顯微鏡下觀察爆口處和管內(nèi)壁，發(fā)現(xiàn)存在大量黑色彎曲狀微裂紋，裂紋內(nèi)無腐蝕產(chǎn)物。

    2.爆口處浸蝕后的試樣。圖中基體組織為鐵素體加珠光體。在整個(gè)視野內(nèi)，珠光體量明顯減少，黑色條狀為晶間微裂紋。從管壁的內(nèi)表面一直深入到基體的內(nèi)部，數(shù)量極多。裂紋在脫碳層內(nèi)產(chǎn)生，離內(nèi)壁愈近處，晶間裂紋較多，珠光體量明顯減少;離內(nèi)壁愈遠(yuǎn)處，晶間裂紋較少，珠光體量接近正常。小裂紋呈網(wǎng)狀分布，大裂紋是由大量的微小裂紋組成。只要有裂紋經(jīng)過的地方，就會(huì)有明顯的脫碳現(xiàn)象，脫碳程度由內(nèi)壁向外壁逐漸減少。管內(nèi)壁的金相組織，珠光體已完全消失，形成了脫碳層，這是氫與鋼中的碳結(jié)合所造成的。這些微裂紋破壞金屬晶粒之間的聯(lián)系，致使金屬的強(qiáng)度和塑性降低。塑性變形能力降低的水冷壁管在外力的作用下，最終發(fā)生脆性破壞。

    3. 脫碳層與正常金相組織之間的過渡區(qū)。離開內(nèi)壁愈近的，則晶間裂紋較多，而珠光體量變少;離開內(nèi)壁愈遠(yuǎn)的，則晶間裂紋較少，而珠光體量變多。

    4.離開腐蝕區(qū)較遠(yuǎn)處水冷壁管母材金相組織正常，未發(fā)現(xiàn)晶間裂紋，也沒有脫碳現(xiàn)象，其金相組織為正常組織。

三、氫腐蝕的形成機(jī)理

    氫是唯一能擴(kuò)散至鋼和其它金屬內(nèi)部的物質(zhì)。從水冷壁管金屬檢驗(yàn)結(jié)果看，爆口區(qū)存在明顯的脫碳現(xiàn)象和沿晶裂紋，這說明鋼中的碳與氫結(jié)合，金屬中的碳被置換掉，因而造成鋼中珠光體消失和脫碳現(xiàn)象，反應(yīng)均生成甲烷，甲烷在鋼中的擴(kuò)散能力很低，極易聚集在晶界原有的微觀空隙內(nèi)。隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，晶間上的甲烷量不斷積聚增多，與原先氫原子所占的容積相比，甲烷的分子很大，無法在鋼中擴(kuò)散，于是在晶粒間產(chǎn)生巨大的局部內(nèi)壓力，其數(shù)值可達(dá)1.8×105公斤/平方厘米，于是沿晶界生成晶間裂紋，從而使鋼內(nèi)部造成微裂紋，使鋼的性能急劇降低。這些微裂紋使金屬的晶粒之間聯(lián)系破壞，致使金屬的強(qiáng)度和塑性降低，失去塑性變形能力，在外力的作用下形成脆性破壞。

    造成水冷壁管氫腐蝕的原因是多方面的，歸納起來主要有以下幾個(gè)方面：

3.1蒸汽腐蝕

    鍋爐運(yùn)行時(shí)，火焰中心調(diào)整不當(dāng)，使水冷壁管某些部位的熱負(fù)荷過高。爆管均發(fā)生在爐膛熱負(fù)荷較高區(qū)域水冷壁管子的向火側(cè)，說明熱負(fù)荷對腐蝕有影響。爐內(nèi)火焰偏斜、熱負(fù)荷分布不均，局部熱負(fù)荷變化幅度較大，造成局部管壁金屬溫度波動(dòng)和超溫，破壞了水冷壁管內(nèi)表面鈍化膜的連續(xù)性，而鈍化膜遭到破壞地方，具有很高的腐蝕活性。所以在水冷壁的向火側(cè)，高負(fù)荷區(qū)容易發(fā)生氫腐蝕。由于局部受熱面熱負(fù)荷偏高，當(dāng)受熱面管子管壁金屬溫度大于400℃，管內(nèi)產(chǎn)生汽水分層或蒸汽停滯時(shí)，就可能發(fā)生蒸汽腐蝕，反應(yīng)式為：3Fe+4 H2O→Fe3O4+8[H]

    正常情況下，管子的內(nèi)表面覆蓋一層致密的保護(hù)膜，反應(yīng)生成的氫被循環(huán)的爐水帶走，不會(huì)滲入鋼中。而當(dāng)運(yùn)行工況出現(xiàn)異常時(shí)，情況就會(huì)發(fā)生變化。如果產(chǎn)生的氫原子不能很快被蒸汽帶走，就會(huì)在較高的溫度作用下通過晶格和晶界向水冷壁向火側(cè)鋼內(nèi)擴(kuò)散，并與鋼中的滲碳體、游離碳發(fā)生反應(yīng)，造成氫腐蝕。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

氫分子與鋼中滲碳體發(fā)生反應(yīng)：2H2+Fe3C→3Fe+CH4氫分子與鋼中游離碳發(fā)生反應(yīng)：2H2+C→CH4氫原子與鋼中游離碳發(fā)生反應(yīng)：4[H]+C→CH4

    上述所有反應(yīng)均生成甲烷CH4，致使沿晶界生成晶間裂紋，進(jìn)而產(chǎn)生微裂紋，使應(yīng)力集中顯著增加;如果有積垢的存在使導(dǎo)熱性變差，引起管壁局部溫度劇增，又加速了腐蝕的進(jìn)程。如此反復(fù)進(jìn)行，形成惡性循環(huán)，微裂紋逐漸連成網(wǎng)狀，鋼的強(qiáng)度、韌性急劇下降，無法承受運(yùn)行的工作應(yīng)力，最終導(dǎo)致水冷壁管沿晶開裂。

3.2堿性腐蝕

    腐蝕過程如下：首先，pH值過高的爐水中產(chǎn)生游離的氫氧化鈉，在受熱面的附著垢物下發(fā)生濃縮，可達(dá)很高的濃度，使?fàn)t管表面的保護(hù)膜溶解，這部分鋼與爐水中的游離氫氧化鈉反應(yīng)生成氫和亞鐵酸鈉，后者水解為四氧化三鐵和氫。

    當(dāng)腐蝕產(chǎn)物達(dá)到一定厚度時(shí)，氫向水中擴(kuò)散的能力減弱，便開始向金屬內(nèi)部滲透，進(jìn)而產(chǎn)生氫腐蝕。

    化學(xué)反應(yīng)為：3Fe+6NaOH→3Na2FeO2+6[H] 3Na2FeO2+4H2O→Fe3O4+6 NaOH+2[H]

    反應(yīng)初期的腐蝕產(chǎn)物并不是很多，但一旦形成腐蝕產(chǎn)物，因其熱阻較大，必將導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物下局部金屬基體的溫度升高和鹽類濃縮，兩者互相促進(jìn)，使腐蝕加劇，溫度更高。在腐蝕過程中形成的氫起初會(huì)被水流帶走，當(dāng)腐蝕產(chǎn)物達(dá)到一定厚度時(shí)，氫向水中擴(kuò)散的能力減弱，便開始向金屬內(nèi)部滲透，進(jìn)而產(chǎn)生氫腐蝕。

    由于堿性腐蝕生成的四氧化三鐵為水解產(chǎn)物，故與金屬基體結(jié)合不好，具體表現(xiàn)為分層，且有氣孔;而通過蒸汽腐蝕生成的四氧化三鐵與基體結(jié)合較為致密。

3.3酸性腐蝕

    水質(zhì)不良，或化學(xué)控制系統(tǒng)局部失靈等，使酸性鹽類進(jìn)入水系統(tǒng);另外，停爐化學(xué)清洗時(shí)帶進(jìn)雜質(zhì)、清洗不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致腐蝕發(fā)生。

    當(dāng)pH值過低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生酸性腐蝕，破壞管內(nèi)壁的保護(hù)膜。具有腐蝕性的爐水可以直接與金屬基體發(fā)生如下的反應(yīng)：Fe+2H+→Fe2++2H。