0 引言

循环流化床锅炉采用流态化燃烧方式，其主要结构包括燃烧室、高温气固分离器、返料系统等。布置在炉膛四周的水冷壁主要用于吸收燃烧产生的部分热量，与炉膛内的固体燃料产生摩擦，因此循环流化床锅炉水冷壁常见的失效形式主要为磨损、氢腐蚀及短时过热等。氢腐蚀的发生通常与锅炉的水质有关，具有不可逆性，会造成水冷壁钢管机械性能大幅下降，对于锅炉运行的危害极大。本文以某火电厂循环流化床锅炉氢腐蚀造成的爆管事件为例，对事件原因进行分析，为类似事件处理提供参考。

1 设备概况

某火电厂锅炉为单汽包自然循环、室内布置的循环流化床锅炉，额定蒸汽温度540 ℃，汽包工作压力10.86 MPa，给水温度215 ℃。水冷壁钢管直径60 mm、厚5.0 mm，材质为20G。

2 理化检验

锅炉水冷壁在运行过程中发生爆管泄漏。为找出水冷壁钢管爆漏原因，避免同类失效再次发生，对其进行以下检验分析。

2.1 宏观形貌

对爆漏的水冷壁钢管进行宏观形貌检查，发现钢管爆口呈典型的“开窗式”特征，开口长度约210 mm、宽度约等于钢管直径，外壁未见明显机械损伤等缺陷，爆口边缘未发生明显的减薄变形，符合脆性开裂特征。钢管内壁存在多处大小不一的腐蚀坑，其中迎火侧内壁腐蚀减薄较为严重，最薄处已减至1.21 mm。爆口内壁附近存在多处长度及深浅不一的裂纹，被棕褐色腐蚀产物覆盖，爆口处及附近钢管未见明显胀粗，如图 1所示。

2.2 金相组织

对爆漏的水冷壁管取样进行显微组织检测，如图 2所示。可以发现，爆口处钢管的金相组织为铁素体+少量珠光体+碳化物，脱碳严重，并伴有较多的沿晶分布的微裂纹。爆口边缘呈现沿晶开裂特征，局部区域晶粒已脱落。同时裂纹内部未见氧化物^[1-3]。

2.3 化学成分

从爆漏的水冷壁钢管取样进行化学成分检测，检测结果见表 1。由表 1可以看出，水冷壁钢管各化学成分质量分数符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》的要求^[4]。

2.4 力学性能

对爆漏的水冷壁钢管取样进行常温拉伸力学性能检测，检测结果见表 2。由于钢管迎火侧不具备力学性能检测条件，因此只对背火侧取样进行了检测。可以看出，水冷壁钢管背火侧材料的抗拉强度、屈服强度及断后伸长率等各项性能均符合GB/ T 5310—2017对20G的要求。

2.5 爆口边缘SEM形貌

利用扫描电子显微镜（SEM）对爆漏的水冷壁钢管爆口边缘进行微区形貌特征观察，发现爆口边缘整体呈现“冰糖块状”的沿晶开裂特征，并伴有少量韧窝，断口上各晶粒之间存在众多微裂纹，具有明显的氢脆开裂特征^[5-7]，如图 3所示。

3 原因分析

爆漏的水冷壁钢管化学成分符合设计材质的要求，排除了材质因素导致的爆管。从爆漏的水冷壁钢管宏观、微观及SEM形貌可知，爆口呈现典型的“开窗式”特征，迎火侧内壁腐蚀减薄较为严重。爆口处组织已严重脱碳，爆口呈沿晶开裂特征，并伴有晶粒脱落现象，与氢脆爆管的特征完全相符。

由此判断，由于锅炉水质或其他原因，在运行过程中污物不断浓缩致使水冷壁钢管内壁结垢，并发生垢下腐蚀，同时释放氢。氢在高温高压的作用下进入管材后，在晶界的空隙内聚集，并与钢材中的碳反应生成CH₄（甲烷）导致钢管内壁组织脱碳。随着反应的不断进行，晶界上的甲烷气体不断聚集增加。甲烷的分子较大，无法在钢中扩散，这样晶粒间形成了巨大的局部内压力，并在管壁氢腐蚀严重区域形成沿晶开裂的微裂纹，造成管材力学性能急剧下降。最终水冷壁钢管在内部高温高压介质作用下发生爆管泄漏^[8-16]。

4 结论及建议

本次水冷壁爆管的主要原因是氢脆导致的爆漏失效。鉴于本次水冷壁爆漏原因，提出以下建议：

（1）对锅炉水冷壁系统进行全面检查，特别是热负荷较高的区域，鉴于氢损伤的不可逆性，应对存在同类型损伤的受热面及时进行更换；

（2）应加强锅炉水质监督，控制氢析出量；

（3）定期对锅炉受热面进行除垢处理，同时避免水冷壁超温运行。