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荷區經常發生氫腐蝕爆管的情況，并采用理化、金相等技術手段，進行分析，指出了其共性特征和形成機理。

一、概述

    當金屬和周圍介質接觸時，由于發生化學作用和電化學作用而引起的破壞叫做金屬腐蝕。金屬腐蝕現象十分普遍。電站金屬材料可發生氫腐蝕、氧腐蝕、硫腐蝕、應力腐蝕等多種腐蝕。在高溫高壓下，鋼中的碳及滲碳體與滲入的氫發生反應，生成甲烷，致使鋼內部脫碳并形成裂紋，稱之為氫腐蝕。氫腐蝕是一種不可逆的反應，形成速度快，破壞性強，嚴重影響電廠的鍋爐防磨防爆工作并對電廠的安全生產造成很大威脅。國內不少電站鍋爐都發生過水冷壁管的氫腐蝕事故，不僅嚴重影響了電廠的安全運行、經濟效益，而且帶來了不利的社會影響。

二、氫腐蝕爆管的判定

    水冷壁發生爆管的原因是多種多樣的。水冷壁發生爆管后，要從多方面對爆管的性質進行判定。

    水冷壁氫腐蝕爆管的一般判定程序如下。

2.1 宏觀分析

    氫腐蝕主要發生在水冷壁管的向火側的高負荷區。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。管壁內表面有明顯的腐蝕區，腐蝕區內可見大小不一、深度不等的的腐蝕坑，蝕坑呈潰瘍狀，有彎彎曲曲的小溝道。腐蝕產物可用銳器剝離。爆口處管內壁有堅硬的褐紅色腐蝕產物，內壁腐蝕使管壁減薄，在最薄處爆管。

2.2 微觀分析

    對爆破管進行金相分析，觀察裂紋的形態、深度及金相組織情況，結果如下：

    1.拋光后(未浸蝕)，在顯微鏡下觀察爆口處和管內壁，發現存在大量黑色彎曲狀微裂紋，裂紋內無腐蝕產物。

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

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

    4.離開腐蝕區較遠處水冷壁管母材金相組織正常，未發現晶間裂紋，也沒有脫碳現象，其金相組織為正常組織。

三、氫腐蝕的形成機理

    氫是唯一能擴散至鋼和其它金屬內部的物質。從水冷壁管金屬檢驗結果看，爆口區存在明顯的脫碳現象和沿晶裂紋，這說明鋼中的碳與氫結合，金屬中的碳被置換掉，因而造成鋼中珠光體消失和脫碳現象，反應均生成甲烷，甲烷在鋼中的擴散能力很低，極易聚集在晶界原有的微觀空隙內。隨著反應不斷進行，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，無法在鋼中擴散，于是在晶粒間產生巨大的局部內壓力，其數值可達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系破壞，致使金屬的強度和塑性降低，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方面：

3.1蒸汽腐蝕

    鍋爐運行時，火焰中心調整不當，使水冷壁管某些部位的熱負荷過高。爆管均發生在爐膛熱負荷較高區域水冷壁管子的向火側，說明熱負荷對腐蝕有影響。爐內火焰偏斜、熱負荷分布不均，局部熱負荷變化幅度較大，造成局部管壁金屬溫度波動和超溫，破壞了水冷壁管內表面鈍化膜的連續性，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，高負荷區容易發生氫腐蝕。由于局部受熱面熱負荷偏高，當受熱面管子管壁金屬溫度大于400℃，管內產生汽水分層或蒸汽停滯時，就可能發生蒸汽腐蝕，反應式為：3Fe+4 H2O→Fe3O4+8[H]

    正常情況下，管子的內表面覆蓋一層致密的保護膜，反應生成的氫被循環的爐水帶走，不會滲入鋼中。而當運行工況出現異常時，情況就會發生變化。如果產生的氫原子不能很快被蒸汽帶走，就會在較高的溫度作用下通過晶格和晶界向水冷壁向火側鋼內擴散，并與鋼中的滲碳體、游離碳發生反應，造成氫腐蝕。發生的化學反應如下：

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

    上述所有反應均生成甲烷CH4，致使沿晶界生成晶間裂紋，進而產生微裂紋，使應力集中顯著增加;如果有積垢的存在使導熱性變差，引起管壁局部溫度劇增，又加速了腐蝕的進程。如此反復進行，形成惡性循環，微裂紋逐漸連成網狀，鋼的強度、韌性急劇下降，無法承受運行的工作應力，最終導致水冷壁管沿晶開裂。

3.2堿性腐蝕

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

    當腐蝕產物達到一定厚度時，氫向水中擴散的能力減弱，便開始向金屬內部滲透，進而產生氫腐蝕。

    化學反應為：3Fe+6NaOH→3Na2FeO2+6[H] 3Na2FeO2+4H2O→Fe3O4+6 NaOH+2[H]

    反應初期的腐蝕產物并不是很多，但一旦形成腐蝕產物，因其熱阻較大，必將導致腐蝕產物下局部金屬基體的溫度升高和鹽類濃縮，兩者互相促進，使腐蝕加劇，溫度更高。在腐蝕過程中形成的氫起初會被水流帶走，當腐蝕產物達到一定厚度時，氫向水中擴散的能力減弱，便開始向金屬內部滲透，進而產生氫腐蝕。

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

3.3酸性腐蝕

    水質不良，或化學控制系統局部失靈等，使酸性鹽類進入水系統;另外，停爐化學清洗時帶進雜質、清洗不當，也會導致腐蝕發生。

    當pH值過低時，會產生酸性腐蝕，破壞管內壁的保護膜。具有腐蝕性的爐水可以直接與金屬基體發生如下的反應：Fe+2H+→Fe2++2H。