趙 月，常 青，胡 杰*，張艷森，李 淵，郎惠珍，矯延林，陳 騫，鄭相鋒，王 平，李欣芮

(1.國能鍋爐壓力容器檢驗有限公司，北京 102200；2.西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院，四川 成都 610500；3.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司蘭成渝輸油分公司，四川 成都 610500)

1 引言

作為人類發(fā)展進步中不可或缺的一部分，能源的發(fā)展以及使用深刻地影響著人類的未來[1-2]。電力作為一種穩(wěn)定的二次能源，它的發(fā)展已經(jīng)在當今社會中無可替代[3]。隨著我國生產(chǎn)建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展的進一步提速，電能的需求也是逐漸增加[4]。近些年，光伏、風力以及水力發(fā)電等方式在全球范圍內(nèi)得到迅猛發(fā)展，但由于新能源發(fā)電技術(shù)存在不穩(wěn)定、受環(huán)境制約性較強以及轉(zhuǎn)化率不高等缺點，短期內(nèi)，電力行業(yè)中占比較大的依然是火力發(fā)電[5-8]。

火力發(fā)電自建國以來，一直屬于我國發(fā)電總量的第一梯隊，有著絕對的優(yōu)勢。這是由于火力發(fā)電站的選址較為靈活，可以有效的降低電網(wǎng)輸配電損耗；火力發(fā)電站的運行較為平穩(wěn)可靠；火力發(fā)電站機組受環(huán)境和氣候等不利因素的影響較小，是一種可以作為我國電力供應(yīng)的可靠發(fā)電方式[9-12]?；痣姀S的發(fā)電是利用可燃物在燃燒時產(chǎn)生的熱能，通過發(fā)電動力裝置轉(zhuǎn)換成電能，因此，只要有燃煤的儲備，火力發(fā)電便是一種可連續(xù)作定額輸出的發(fā)電方[13]。然而，火力發(fā)電也依然存在著資源利用率低、機組運行成本高和能源浪費嚴重等問題[14]。

火電機組作為調(diào)峰電源與新能源等電源相比，具有較好的調(diào)峰性能，因此預(yù)計火電機組在未來幾年持續(xù)性低負荷運行或者深度調(diào)峰將成為常態(tài)。由此，我國推出各類調(diào)峰政策鼓勵燃煤電廠積極參與電網(wǎng)調(diào)峰。現(xiàn)役火電機組為應(yīng)對日益嚴重的產(chǎn)能過剩、年發(fā)電可利用小時數(shù)下降、煤炭價格持續(xù)走高、可再生能源裝機規(guī)模迅速擴大電力市場改革的逐步深化等形勢，機組調(diào)峰滿足電網(wǎng)要求將成為新常態(tài)[15-17]。然而，伴隨著火電廠機組深度調(diào)峰成為新常態(tài)，發(fā)電機組安全性和穩(wěn)定性的問題也開始出現(xiàn)。車永強等[18]通過對某電廠調(diào)峰后汽機側(cè)設(shè)備的運行狀況進行研究，發(fā)現(xiàn)最小流量閥內(nèi)漏、3號高壓加熱器疏水不暢、6號低壓加熱器水位波動、小機排汽溫度高、給水泵密封性能差以及供熱受限制等問題。沈利等[19]通過對某超臨界大容量火電機組在深度調(diào)峰下鍋爐的運行狀態(tài)進行了研究，發(fā)現(xiàn)鍋爐燃燒穩(wěn)定性變差、氧化皮生成與剝落的速率變快以及管壁受熱不均勻且易超溫等問題。

本文就某電廠水冷壁管發(fā)生爆管進行了相關(guān)分析，進一步證明了在深度調(diào)峰背景下，鍋爐水質(zhì)對發(fā)電機組設(shè)備的安全運行起著重要作用，為火電機組參與到常態(tài)化調(diào)峰背景下電廠對鍋爐水質(zhì)進行嚴格監(jiān)督提供了依據(jù)。

2 研究方法

2.1 宏觀檢驗

2.2 化學(xué)成分分析

使用Compact port便攜式直讀光譜分析儀對水冷壁管管材進行化學(xué)成分分析。

2.3 金相組織檢驗

本論文中涉及到的金相分析，試樣均是經(jīng)過#180、#400、#600、#800金相砂紙打磨，用粒度2.5μm的拋光噴霧進行拋光。拋光后腐蝕用的是4%的硝酸酒精溶液。金相分析采用的是德國蔡司公司生產(chǎn)的AxioObserver.Z1m型倒置式金相顯微鏡。

2.4 力學(xué)性能測試

常溫力學(xué)性能試驗根據(jù)標準DL/T2220-2021《電站金屬材料力學(xué)性能儀器化壓痕法檢測技術(shù)規(guī)程》，采用AIS3000 Compact便攜式萬能力學(xué)性能檢測儀。便攜式力學(xué)性能檢測儀通過在材料同一個位置連續(xù)下壓測量出的載荷和深度繪制成載荷-深度曲線，真實應(yīng)力值和應(yīng)變值通過數(shù)學(xué)理論公式由載荷和深度計算而來。在壓頭下壓的過程中材料會在壓痕區(qū)域產(chǎn)生彈塑性變形，屈服強度可以從應(yīng)力-應(yīng)變曲線上彈性線與塑性曲線的交點計算得出，利用張力不穩(wěn)定的理論計算得出抗拉強度。

2.5 掃描電鏡以及能譜測試

取樣管內(nèi)表面積垢和腐蝕產(chǎn)物的形貌觀察和產(chǎn)物定性分析用的是德國蔡司生產(chǎn)的EVO 18掃描電子顯微鏡及其附帶的能譜儀。

2.6 腐蝕產(chǎn)物相成分測試

通過DX-2700B型X射線衍射儀(掃描角度2θ為10°～80°，掃描進步角為0.04°/s)對#1試樣表面腐蝕產(chǎn)物成分相組成進行檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 宏觀檢驗

圖1為水冷壁管爆口處的宏觀圖片。爆口位于水冷壁管向火面，開口不大，斷裂面粗糙，爆口邊緣為粗糙鈍邊，沒有明顯宏觀塑性變形及鼓脹等變形。

圖1 水冷壁管Fig.1 Water wall tube

按照圖中標記位置進行切割取樣，取樣編號分別為#1、#2。#1、#2試樣向火面內(nèi)壁覆蓋著大量腐蝕產(chǎn)物及結(jié)垢，如圖2所示，腐蝕產(chǎn)物表層呈褐紅色，內(nèi)層呈灰黑色，局部已被破壞或脫落。這種表層為褐色，內(nèi)部為黑色或灰色的氧化鐵垢，主要成分是鐵的氧化物。爐水中的氧化鐵是帶正電荷的膠體粒子，水冷壁管內(nèi)表面在高熱負荷作用下帶負電荷，所以帶正電荷的氧化鐵會向高熱負荷區(qū)集聚，形成氧化鐵垢[20]。對#1、#2試樣進行厚度測量，結(jié)果顯示#1試樣爆口附近(向火面)最小厚度為3.9mm，爆口對側(cè)(背火面)厚度為5.79mm，管徑均有不同程度減薄。#2試樣存在腐蝕產(chǎn)物位置(向火面)剩余壁厚為5.29mm，無腐蝕產(chǎn)物位置(背火面)壁厚為6.03mm。

觀察組患者臨床療效為95.56%（43/45），高于對照組患者73.33%（33/45），差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。見表1。

圖2 試樣內(nèi)壁形貌Fig.2 Inner wall morphology of the sample

3.2 化學(xué)成分分析

水冷壁管管材化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明水冷壁管的化學(xué)成分符合《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB/T5310-2017)對20G鋼的要求。

表1 水冷壁管化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)%)Tab.1 Chemical composition of water wall tube (mass fraction %)

3.3 金相組織

為了從微觀角度分析材料的損傷原因，對水冷壁管爆管管段及存在裂紋處進行了切割取樣。在經(jīng)過對試樣的打磨、拋光和腐蝕后，分別對試樣#1和#2進行金相組織的檢驗，金相組織分析結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3為#1試樣金相組織照片。如圖3(a)、3(b)所示，#1試樣爆口處(向火面)存在裂紋，沿晶界開裂。放大倍數(shù)后觀察發(fā)現(xiàn)裂紋附近存在多處微裂紋，微裂紋附近明顯有脫碳現(xiàn)象。部分微裂紋如圖中箭頭所示。經(jīng)觀察，試樣內(nèi)壁存在腐蝕情況，向火面內(nèi)壁腐蝕較為嚴重(見圖3(c))，嚴重位置腐蝕產(chǎn)物厚度約為1.243mm，管子內(nèi)壁開裂，裂紋長度約為0.926mm，裂紋尖端存在多條微裂紋，微裂紋附近有明顯脫碳現(xiàn)象。由圖3(d)、3(e)所示#1試樣向火面爆口附近未爆開處及外壁金相組織均為鐵素體+珠光體，金相組織未見明顯異常。由圖3(f)、3(g)所示，#1試樣背火面金相組織為鐵素體+珠光體，金相組織正常內(nèi)、外壁均無明顯腐蝕現(xiàn)象。

圖3 #1試樣金相組織Fig.3 Metallographic structure of sample #1

圖4為#2試樣金相組織照片。如圖4(a)所示#2試樣內(nèi)壁存在腐蝕情況，向火面內(nèi)壁腐蝕較為嚴重，嚴重位置腐蝕產(chǎn)物厚度約為3.235mm，管子內(nèi)壁開裂，裂紋深度約為2.531mm，裂紋經(jīng)倍數(shù)放大后，如圖4(b)所示，裂紋沿晶界開裂，脫碳現(xiàn)象不明顯。如圖4(d)、4(e)所示，#2試樣向火面、背火面金相組織均為鐵素體+珠光體，金相組織正常。如圖4(f)所示，#2試樣背火面內(nèi)壁存在腐蝕坑，但腐蝕坑深度較淺。如圖4(c)、4(g)所示，#2試樣向火面、背火面外壁金相組織均為鐵素體+珠光體，金相組織正常，外壁無明顯腐蝕現(xiàn)象。

圖4 #2試樣金相組織Fig.4 Metallographic structure of sample #2

3.4 力學(xué)性能

采用便攜式力學(xué)性能檢測儀對水冷壁管#1試樣背火面、向火面進行分別進行常溫力學(xué)性能試驗。實驗結(jié)果結(jié)果如表2所示，根據(jù)標準GB5310-2017要求，所檢試樣抗拉強度和屈服強度(規(guī)定非比例延伸強度)均滿足標準要求，但向火面力學(xué)性能低于背火面，這是由于向火面管材受氫腐蝕影響產(chǎn)生微裂紋，降低了其力學(xué)性能。

表2 常溫拉伸性能Tab.2 Tensile properties at room temperature

3.5 掃描電鏡以及能譜

圖5是對#1試樣腐蝕位置的SEM圖。從圖中可以明顯看出，試樣表面存在明顯的腐蝕產(chǎn)物。對腐蝕產(chǎn)物主要成分進行掃描能譜分析圖如圖所示。

圖5 試樣表面形貌和腐蝕產(chǎn)物EDS圖譜 Fig.5 Sample surface morphology and EDS spectrum of corrosion products

從圖中可以明顯看出，腐蝕產(chǎn)物的主要成分為O、Si、Mn、Fe，主要成分的含量如表所示。腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，根據(jù)腐蝕產(chǎn)物顏色推斷腐蝕產(chǎn)物為Fe2O3和Fe3O4。

3.6 腐蝕產(chǎn)物相組成

圖6為#1試樣表面腐蝕產(chǎn)物的X射線衍射圖譜。從圖譜中可以清楚地看出，腐蝕產(chǎn)物主要由Fe2O3和Fe3O4相組成。由于Mn和Si含量相對較少，因此在XRD圖譜中沒有明顯的相關(guān)衍射峰。這也進一步證實了對#1試樣表面腐蝕產(chǎn)物的推斷。

圖6 腐蝕產(chǎn)物XRD圖譜Fig.6 XRD pattern of corrosion products

3.7 腐蝕機理分析

從爆口處宏觀形貌、金相組織和腐蝕產(chǎn)物成分分析可以得知，該電廠的此次爆管是由于發(fā)生了氫腐蝕而導(dǎo)致的脆性斷裂形式。

鍋爐在正常參數(shù)下運行時，水冷壁管內(nèi)表面會形成一層Fe3O4保護膜，從而使得水冷壁管不會受到嚴重的腐蝕，其過程如下列方程式所示[21]：

3Fe+4OH-→ Fe3O4+4H+4e

(1)

在深度調(diào)峰的背景下，一方面，水冷壁管內(nèi)形成的Fe3O4保護膜容易脫落，使得管內(nèi)壁更容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；另一方面，發(fā)電機組常在低負荷狀態(tài)下運行，除氧器的壓力和溫度不能維持在正?？刂浦?，即會導(dǎo)致除氧水的溶解氧超標[22-23]。綜上所述，水冷壁管內(nèi)壁因存在含氧量高的爐水而出現(xiàn)垢下腐蝕，水冷壁管內(nèi)表面金屬物質(zhì)沉積，腐蝕介質(zhì)的流動受阻，垢層以下金屬形成閉塞原電池腐蝕現(xiàn)象，從而導(dǎo)致爐管腐蝕穿孔并電解產(chǎn)生氫[21,24-25]。陽極在上述環(huán)境下進一步發(fā)展，垢下的水冷壁管表面作為陽極被腐蝕，其過程如下列方程式所示[26-27]：

Fe→Fe2++2e

(2)

2H++2e→2H

(3)

由氫擴散而形成的氫分子與鋼中的滲碳體反應(yīng)生成甲烷氣體，使得水冷壁管出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，其過程如方程式所示[28]：

2H2+Fe3C→3Fe+CH4

(4)

因為氫氣和甲烷分子體積均比較大，無法向外擴散，導(dǎo)致水冷壁管局部承受較大壓力，導(dǎo)致水冷壁管局部產(chǎn)生裂紋，造成嚴重的氫腐蝕，氫腐蝕是一種不可逆的脆性失效形式，因此，進一步的，在此條件下，水冷壁管發(fā)生爆管[29-30]。

4 結(jié)論

(1)本次水冷壁爆管爆口處開口不大，斷裂面粗糙，爆口邊緣是鈍邊，管徑有不同程度減薄，試樣內(nèi)壁存在大量腐蝕產(chǎn)物，并可觀察到多條裂紋。進一步觀察發(fā)現(xiàn)水冷壁管內(nèi)壁存在裂紋，最大深度為2.531mm并沿晶界向外擴展。裂紋周邊存在大量微裂紋，且具有明顯脫碳現(xiàn)象，符合氫腐蝕特征。

(2)在深度調(diào)峰背景下，發(fā)電機組常在低負荷狀態(tài)下運行，除氧器的壓力和溫度不能維持在正?？刂浦担磿?dǎo)致除氧水的溶解氧超標，爐水中含氧量增加導(dǎo)致了水冷壁管發(fā)生明顯的垢下腐蝕。水冷壁管內(nèi)表面由于垢下腐蝕導(dǎo)致金屬物質(zhì)沉積，腐蝕介質(zhì)的流動受阻，垢層以下金屬形成閉塞原電池腐蝕現(xiàn)象，由此電解產(chǎn)生的氫分子與鋼中的滲碳體反應(yīng)生成甲烷氣體，由于氫分子和甲烷分子體積均較大，無法向外擴散，導(dǎo)致水冷壁管局部承受壓力較大，從而出現(xiàn)裂紋，最終導(dǎo)致水冷壁管出現(xiàn)脆性開裂，發(fā)生垢下氫腐蝕爆管。

因垢下氫腐蝕損傷的不可逆性，為避免此類事故進一步發(fā)生，提出以下建議：

(1)在深度調(diào)峰的大背景下，火電廠應(yīng)嚴格控制鍋爐用水的質(zhì)量。嚴格按《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》(GB/T12145-2016)進行爐水指標化學(xué)監(jiān)督。

(2)對水冷壁管設(shè)置監(jiān)察段，檢修時割管取樣進行金相組織、垢量、垢樣成分分析，監(jiān)督水冷壁管的結(jié)垢腐蝕變化情況，適時進行酸洗除垢，做好各項防范措施。