锅炉水冷壁氢损伤泄漏和失效分析及对策

某热电厂装机容量为 6 台 220t/h 自然循环，四角切向煤粉锅炉，3 台50 兆瓦机组。

一、锅炉泄漏爆管基本情况

某热电厂 2 号锅炉水冷壁管发生爆漏，锅炉 DCS 系统显示：锅炉汽包水位下降，给水流量大于蒸汽流量，炉膛变正压，燃烧不稳，火焰发暗，排烟温度降低，MFT 保护动作，锅炉灭火。经检查，锅炉 1 号角水冷壁管材（燃尽风处往前数第 6 根，标高16m）发生泄漏爆管。水冷壁管材为 20 钢，规格为 Φ60×5mm 。泄漏处宏观形貌如图1-1，管样纵向张开，无明显胀粗，爆口呈长条形，边缘粗钝，爆口内壁存在明显的腐蚀，为脆性端口特征。

二、锅炉水冷壁泄漏爆管失效分析

（一）金相分析

取水冷壁管样在大型显微镜下进行金相分析，观察横断面上裂纹的形态，金相组织情况。爆管的微观分析结果如下：

1.抛光浸蚀后，在显微镜下观察取样管材爆口处和管内壁，发现存在大量黑色弯曲状的晶间微裂纹，从管内壁腐蚀区一直深入到基体的内部，数量极多，裂纹在脱碳层内产生。一些小的裂纹已经发展成为较大型的裂纹，大的裂纹深入到母材的内部，裂纹内有腐蚀产物。图中基体组织为铁素体。在整个视图内，珠光体基本消失。显微镜发现有裂纹经过的地方，有明显的脱碳现象。

2.脱碳层与正常金相组织之间的过渡区，图中所示钢中含碳量（或珠光体量）随离开管子内壁距离增大的变化情况。图中上部靠近管子内壁，珠光体基本消失，形成脱碳层；图中下部靠近水冷壁管外壁，为铁素体加珠光体组织。由图可见，距离内壁愈近，珠光体量变少；距离内壁愈远，珠光体量明显变多。

3.爆口管离开腐蚀区较远、靠近管子外壁处水冷壁管母材金相组织正常，为珠光体+铁素体，未发现晶间裂纹，也没有脱碳现象。

以上金相分析表明，爆口区存在明显的脱碳现象和沿晶裂纹。氢是唯一能扩散至钢和其它金属内部的物质，氢原子不断向金属内部扩散、渗透，金属内部的氢原子浓度越来越高，进入钢内的氢原子与钢中的碳反应，生成甲烷，进而使钢基体脱碳，产生氢损伤。水冷壁管破裂的直接原因为水冷壁管发生了氢损伤现象，氢损伤造成了水冷壁管的脆性爆破。

（二）力学性能试验

在 3 号角燃尽风处往前数第 6 根水冷壁管附近取试样，做力学性能试验，所截取力学试样条上没有腐蚀，抗拉强度和延伸率符合标准要求。

在 3 号角燃尽风处往前数第 5 根水冷壁管附近取试样，做力学性能试验，抗拉强度和延伸率较低，不符合标准要求。原因是所截取的管样内壁有腐蚀，导致向火侧抗拉强度和延伸率下降甚为严重。向火侧塑性下降幅度大，是氢损伤的一个重要特征，导致产生氢脆现象。

（三）氢损伤分析

正常情况下，管子的内表面覆盖一层致密的保护膜，反应生成的氢被循环的炉水带走，不会渗入钢中。而当运行工况出现异常时，情况就会发生变化。如果产生的氢原子不能很快被蒸汽带走，就会在较高的温度作用下通过晶格和晶界向水冷壁向火侧钢内扩散，并与钢中的渗碳体、游离碳发生反应，造成氢损伤。由于锅炉水质不合格，炉水中杂质及盐分在高负荷或流速较低区域沉积，导致水冷壁管向火侧严发生了较为重氧化，而氧化皮的形成又进一步提高了管壁温度，使氧化过程进一步加剧。

发生的化学反应如下：

氢分子与钢中渗碳体发生反

2H2 + Fe3C→3Fe + CH4氢分子与钢中游离碳发生反应：

氢原子与钢中游离碳发生反应：

[H]+C⟶CH4 反应均生成甲烷 CH4 。

以上分析表明，水冷壁管破裂的直接原因是：水冷壁管发生了氢损伤现象，使钢的性能急剧降低。腐蚀进一步加剧向纵深发展，管壁减薄越来越明显，使应力集中显著增加；加上积垢的存在使导热性变差，引起管壁局部温度剧增，又加速了腐蚀的进程。如此反复进行，形成恶性循环，微裂纹逐渐连成网状，钢的强度、韧性急剧下降，无法承受运行的工作应力，氢损伤最终导致水冷壁管沿晶开裂，造成了水冷壁管的脆性爆破。

爆管发生在炉膛热负荷较高区域水冷壁管子的向火侧，说明热负荷对腐蚀有影响。炉内局部热负荷变化幅度较大，破坏了水冷壁管内表面钝化膜的连续性，而钝化膜遭到破坏地方，具有很高的腐蚀活性。

三、锅炉水冷壁氢损伤缺陷治理与预防

（一）锅炉水冷壁氢损伤缺陷治理

检修人员对 2 号锅炉水冷壁重点部位（主燃烧区）进行抽查检测，检查结果为13根管子存在氢损伤现象，在前、后、左、右四面墙的主燃烧区管材检查中均发现有氢损伤缺陷问题。

查阅锅炉水冷壁垢量检测报告：2 号锅炉右墙水冷壁标高 12 米，前数第39 根，向火侧垢量为 708.4g/m2 ，背火侧垢量为 221.9g/m2 ，超过 DL/T 794-2012《火力发电厂锅炉化学清洗导则》规定的 400g/m2 的清洗标准，因2 号锅炉发生过氢脆爆管，建议做好锅炉化学清洗计划。

某热电厂邀请西安热工研究院金属专业、锅炉专业、化学专业专家召开“水冷壁氢损伤治理专题会”。会议建议：2 号锅炉炉膛主燃区水冷壁管全部更换，且割管后用内窥镜检查其它区域，对存在氢损伤严重的管段进行更换。同时对水冷壁、省煤器进行化学酸洗，解决垢量超标和新换管材钝化养护。

某热电厂组织开展 2 号锅炉水冷壁氢损伤治理工作，对其锅炉主燃区水冷壁管材进行全部更换，同时要求当地特种设备检验机构进行监督检查。同年10 月按照《 DL/T794-2012 火力发电厂锅炉化学清洗导则》对锅炉汽包、下降管、联箱、水冷壁系统及省煤器系统进行常规盐酸酸洗，漂洗及钝化采用EDTA。同年 10 月，按照《NB/T47013.2-2015 承压设备无损检测。第二部分：射线检测》标准对水冷壁焊口（1080道焊口）进行RT 检测，按照《DLT647-2024 电站锅炉压力容器检验规程》进行 1.25倍水压试验 13.625MPa

（二）锅炉水冷壁氢损伤缺陷预防

1. 水质优化处理

严格控制锅炉给水和炉水的水质指标，尤其是 pH 值、溶解氧、硬度、氯离子、氨含量等。保持给水 pH 值在 9.0～9.5（碱性环境可减少钢铁腐蚀），溶解氧含量 ⩽7μ g/L （防止氧腐蚀产生氢）。采用高效除盐、除氧技术，降低水中腐蚀性离子浓度，减少电化学腐蚀产生的氢。

2. 避免局部腐蚀条件

防止水冷壁管内结垢、积渣，避免因热流密度不均导致的管壁超温和局部浓缩腐蚀（如垢下腐蚀）。定期进行化学清洗，清除水垢和沉积物。控制炉膛燃烧工况，避免火焰直接冲刷水冷壁管（防止高温腐蚀），减少管壁氧化皮脱落和局部腐蚀。

3. 优化制造与焊接工艺

焊接过程中避免产生焊接气孔、未熔合等缺陷，减少氢在焊缝附近的聚集。焊接后进行适当的热处理（如消除应力退火），降低残余应力，减少氢脆风险。确保水冷壁管安装时的胀接、连接质量，避免接口处泄漏或局部应力集中。

4.运行监控与维护

实时监测水冷壁管壁温度、蒸汽压力、给水水质等参数，及时发现异常（如局部超温、水质恶化）并调整工况。定期对水冷壁管进行检测，检查是否存在氢鼓包、裂纹等缺陷，重点关注焊缝、弯头、易冲刷部位。按规程进行锅炉停炉保养，采用干法或湿法保养（如充氮、加缓蚀剂），防止停炉期间的腐蚀产生氢。

当年供热期，某热电厂 2 号锅炉“三管”未发生泄漏爆管事件，通过此次锅炉氢损伤治理消除了氢损伤带来的潜在安全隐患，实现了安全稳定运行。同时，锅炉热效率显著提升，直接体现为“节能省煤”的实际成效，既降低了日常运行成本，也减少了能源消耗，实现了安全保障与能效优化的双重目标。

参考文献

[1]蔡文河.火电厂金属监督技术典型案例分析

[2]龚洵洁.热力设备的腐蚀和防护