水冷壁管是锅炉的主要受热部分，用于吸收炉膛中高温燃烧产物的辐射热量，也是实现锅炉热量传递与交换的最核心部件。由于锅炉运行工况复杂，水冷壁管长期处于高压水汽和高温烟气环境中，壁厚异常减薄给锅炉的安全运行造成重大安全隐患，因此分析其减薄原因，并采取必要的预防措施，对锅炉的安全运行至关重要。

     在对某电厂300MW亚临界机组锅炉进行防磨防爆检查过程中，发现其大批量水冷壁管壁厚异常减薄，水冷壁管材料为SA-210C钢，规格为63.5mm×7.5mm（外径×壁厚）。研究人员采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、扫描电镜（SEM）和能谱分析等方法对壁厚异常减薄原因进行分析，以消除该类安全隐患。

1、理化检验

1.1 宏观观察

      水冷壁管向火侧外壁宏观形貌如图1所示。由图1可知：水冷壁管向火侧外壁有较多灰黑色的附着物，附着物厚度已超过1mm，附着物分为多层，最外层坚硬而易碎，多处附着物存在不同程度的剥离和脱离。

      水冷壁管横截面宏观形貌如图2所示。水冷壁管未见明显变形，背火侧壁厚较为均匀，向火侧壁厚不均匀，局部减薄非常明显。对水冷壁管进行壁厚测量，实测水冷壁管背火侧壁厚约为7.6mm，壁厚正常；向火侧管壁减薄最严重位置的壁厚仅为4.5mm，减薄量仅有原壁厚的40%左右，不符合DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》中“锅炉受热面管壁厚应无明显减薄”的要求。对于水冷壁、省煤器、低温段过热器和再热器管，壁厚减薄量应不超过设计壁厚的30%。

1.2 化学成分分析

      在水冷壁管上截取试样，采用直读光谱仪对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：试样材料的各元素含量均符合ASME SA-210/SA-210M—2023《锅炉和过热器用无缝中碳钢管子》对SA-210C 钢的要求。

1.3 力学性能测试

      在水冷壁管背火侧取样，对试样进行拉伸试验及硬度测试，结果如表2所示。由表2可知：水冷壁管的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及布氏硬度均符合ASME SA-210/SA-210M—2023的要求。

1.4 金相检验

      在水冷壁管上取样，对试样进行金相检验，结果如图3所示。由图3可知：水冷壁管向火侧和背火侧的组织形态无明显差异，显微组织为铁素体+ 珠光体，晶粒度为10级，珠光体形态较为清晰，边界模糊，晶界上开始有颗粒状碳化物析出，珠光体球化级别为2级，球化程度较轻，未发现异常或明显的过热组织，向火侧外表面残留腐蚀附着物，最厚达1.16mm。

1.5 扫描电镜及能谱分析

      对水冷壁管外壁附着物外表面、中间层、内表面进行扫描电镜及能谱分析，结果如图4~6所示。由图4~6可知：水冷壁管外壁附着物外表面元素种类较多，含Fe、O、S、Zn、Si、Al、Ca、Mn等元素；附着物内表面元素种类较少，几乎全部为Fe、O、S元素，应为水冷壁管母材的氧化腐蚀产物。

2、综合分析

2.1 试验结果分析

      该水冷壁管的化学成分、力学性能均符合ASME SA-210/SA-210M—2023对SA-210C钢的要 求。水冷壁管管径无明显变形，向火侧母材显微组织中珠光体球化级别为2级，组织老化不明显，这说明水冷壁管在运行过程中壁温正常，无过热现象。水冷壁管向火侧存在不均匀减薄，外径随向火侧壁厚减薄量的增加而减小，表明水冷壁向火侧壁厚减薄为外壁腐蚀所致。水冷壁管外表面附着物坚硬且易碎，能谱分析结果表明附着物为铁的氧化物和硫化物，从而判断水冷壁管向火侧发生的腐蚀形式为高温硫腐蚀。

2.2 腐蚀原因分析

      高温腐蚀与煤的种类有很大关系，煤中的硫元素和硫化物是形成腐蚀的主要原因，而煤的燃烧特性又是影响腐蚀速率的主要因素之一。锅炉水冷壁腐蚀发生在不完全燃烧中形成的一氧化碳还原性气氛中，同时有硫化氢存在，使水冷壁管发生硫化物型高温腐蚀。煤中的黄铁矿是引起硫化物型高温腐蚀的主要原因，其反应机制如下所述。黄铁矿粉末随高温烟气到达水冷壁管附近，在还原性气氛下黄铁矿粉末受热分解出自由原子硫和硫化亚铁。当水冷壁管附件存在H2S和SO2时，也可能发生如下反应。

2H2S+SO2→2H2O+3S

      在还原性气氛中，由于缺氧，硫原子可以独立存在，当管壁温度超过350℃时，会发生硫化反应。

Fe+S→FeS

      H2S还能和FeO作用，发生如下反应。

FeO+H2S→FeS+H2O

     FeS会继续氧化生成Fe3O4，反应方程式为

3FeS+5O2→Fe3O4 +3SO2

      综上所述，煤中硫元素含量高，未充分燃烧的煤粉冲刷水冷壁并形成局部还原性气氛，在温度较高的水冷壁产生高温腐蚀。

3、 结论与建议

    （1）水冷壁管减薄的主要原因是硫化物型的高温腐蚀。

    （2）水冷壁管产生高温腐蚀的主要因素有水冷壁区还原性气氛、水冷壁管壁温、煤质品级及燃烧状况等。

    （3）建议电厂加强对水冷壁管的监督检查，重点关注历史发生腐蚀部位，尤其是近期存在煤质波动、锅炉运行调整等情况时，须利用临停、检修等机会增加割管频次、扩大割管范围，检查相应管系的腐蚀情况，并根据腐蚀情况采取针对性处理措施，及时更换腐蚀减薄导致强度不足的管子，对易发生腐蚀减薄的区域采取加装防护瓦或喷涂等防护措施。

    （4）建议电厂在煤质含硫量和水冷壁壁温保持不变的情况下，通过燃烧调整优化，控制好氧元素含量，避免燃烧区域因局部缺氧而形成还原性气氛，可以有效减少水冷壁硫化物型高温腐蚀减薄现象的发生次数。

作者：高大伟

单位：中国大唐集团科技创新有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2024年第6期