張大巍，楊小兵，韓曉斌

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 110000；2.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

0 前言

自上個(gè)世紀(jì)80年代，隨著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科研力量的投入，以鋼筋混凝土為外筒、耐候鋼為內(nèi)筒的單管式或多管式煙囪逐漸發(fā)展起來(lái)[1],在一個(gè)時(shí)期內(nèi)成為了我國(guó)火力發(fā)電煙囪主要的選型。2000年以后，國(guó)家提高了大氣環(huán)境的重視，火力發(fā)電廠陸續(xù)增加了脫硫、脫硝設(shè)備，在沿海地區(qū)海水脫硫以其脫硫效率高、運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。由于煙氣中含水量增加，氟化氫、氯化物、SO2等腐蝕氣體溶于水形成酸液，加快了鋼內(nèi)筒的腐蝕[2]。既有鋼內(nèi)筒在新煙氣環(huán)境下安全性和使用壽命成了影響煙氣凈化系統(tǒng)方案選擇和投資的重要因素。

本文以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)，利用X射線能譜儀對(duì)腐蝕層內(nèi)物質(zhì)成分進(jìn)行分析，推斷脫硫前后腐蝕機(jī)理的變化。測(cè)量腐蝕層厚度，得到內(nèi)筒鋼材在不同煙氣環(huán)境下的腐蝕速度，采用力學(xué)分析，確定當(dāng)前煙囪的安全性，對(duì)煙囪的使用壽命預(yù)測(cè)，為電廠生產(chǎn)決策提供可靠的依據(jù)。

1 工程概況

某電廠位于深圳市南頭半島西南端，為6臺(tái)國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組，每2臺(tái)機(jī)合用1座高210m、出口直徑7m的套筒煙囪，一期1、2號(hào)機(jī)于1993年11月建成并投入運(yùn)營(yíng)。煙囪外筒采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用變坡度、變壁厚的設(shè)計(jì)形式，總高度205m，出口內(nèi)直徑10.4m，筒身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。內(nèi)筒采用Corten-B耐侯鋼自立式鋼內(nèi)筒，總高度210m，直徑7.0m，標(biāo)高50m以下，壁厚14mm，標(biāo)高50m～130m，壁厚12mm；標(biāo)高130m～210m，壁厚10mm。從1993年11月至2007年11月，鋼內(nèi)筒在未脫硫煙氣中運(yùn)行了14年，由于國(guó)家環(huán)保要求的提高，一期工程加裝海水脫硫系統(tǒng)，脫硫效率在90%以上，但脫硫后煙氣溫度降低，出現(xiàn)了筒壁結(jié)露現(xiàn)象，內(nèi)筒的腐蝕加劇，急需對(duì)內(nèi)筒的腐蝕情況檢測(cè)，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)整體安全性。應(yīng)發(fā)電公司邀請(qǐng)，我院與廣州電器科學(xué)研究院合作，對(duì)一期煙囪鋼內(nèi)筒的腐蝕速度進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)腐蝕速度對(duì)鋼內(nèi)筒的安全性進(jìn)行核算。

2 鋼內(nèi)筒腐蝕速度測(cè)定

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

鋼內(nèi)筒腐蝕速度的測(cè)定分兩個(gè)部分，一部分是在未進(jìn)行海水脫硫處理的煙氣中的鋼材的腐蝕速度，另一部分是在脫硫處理后鋼材的腐蝕速度。為減小對(duì)內(nèi)筒的損傷，試驗(yàn)中采用掛片試驗(yàn)的方法對(duì)腐蝕速度進(jìn)行檢測(cè)，即分別在鋼內(nèi)筒內(nèi)側(cè)35m、70m、105m、140m、175m高度處分別固定一塊與鋼內(nèi)筒同材質(zhì)的試驗(yàn)鋼片，大小10mm×30mm。試驗(yàn)從2006年9月開始，全過(guò)程共歷時(shí)818d。試驗(yàn)開始后定期觀察鋼板的腐蝕情況，測(cè)定腐蝕厚度，計(jì)算相應(yīng)的腐蝕速度。為確定焊縫部位的腐蝕與母材是否相同，掛件同樣也保留了部分焊縫。

2.2 Corten-B耐候鋼腐蝕情況對(duì)比分析

在腐蝕產(chǎn)物分析過(guò)程中，鑒于腐蝕產(chǎn)物層較薄，用X射線衍射（XRD）很難分析出樣品表面的腐蝕產(chǎn)物組成，因此，本次試驗(yàn)采用X射線能譜儀（EDS）對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描，分析腐蝕層內(nèi)物質(zhì)成分。

圖1 Corten-B耐候鋼腐蝕后圖像

宏觀觀察，試件表面均勻分布褐紅色物質(zhì)，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見腐蝕凹坑，試樣顯示為典型的全面腐蝕特征[3]（如圖1）。同時(shí)，注意到焊縫部位顏色與其它部位略有不同，說(shuō)明焊縫的腐蝕程度與本體是有差別的，但并不明顯。

在電子顯微鏡觀察掛件，如圖2所示。鋼材表面腐蝕產(chǎn)物上布滿裂紋，局部位置出現(xiàn)腐蝕凹坑，呈現(xiàn)輕微點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。形成表面龜裂主要原因?yàn)楦g層內(nèi)外收縮變形不均勻所致，腐蝕物質(zhì)可以通過(guò)裂縫滲入，進(jìn)而繼續(xù)腐蝕鋼材本體，但腐蝕能力有所減弱。

采用X射線能譜儀（EDS）對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果顯示腐蝕產(chǎn)物中，腐蝕產(chǎn)物層中含有少量的Cr，但并未觀察到Sb或V的存在（如圖3）。說(shuō)明鋼材內(nèi)的Cr起到了阻止腐蝕的作用，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)Al和Si，這可能是試樣表面沒(méi)有清洗干凈的粉煤灰?guī)氲?，也可能是鋼中的非金屬夾雜物的反映。

圖2 顯微鏡觀察腐蝕層表面圖像

圖3 Corten-B試件能譜分析圖

對(duì)點(diǎn)蝕坑底部殘余物質(zhì)成分分析，有Cl、S和O元素的聚集，說(shuō)明點(diǎn)蝕的形成與C l-、SO42-有關(guān)[4]。對(duì)比脫硫前后腐蝕殘留物，并未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明脫硫前后，鋼內(nèi)筒腐蝕機(jī)理未發(fā)生變化。

2.3 Corten-B耐候鋼腐蝕速度研究

對(duì)試件腐蝕厚度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算試驗(yàn)期試件的腐蝕速度，見圖4。

圖4 試件腐蝕速度變化曲線

圖表中405d前，試驗(yàn)掛片處于未進(jìn)行脫硫處理的煙氣中，之后的試驗(yàn)是在脫硫后煙氣中進(jìn)行。從圖中可以看出，105d以前，掛片腐蝕速度經(jīng)歷急劇增加階段，105d～405d，腐蝕速度趨于平穩(wěn)。主要原因是制作的掛片采用的是未發(fā)生銹蝕的Corten-B鋼，初期腐蝕較快，而后，由于腐蝕產(chǎn)物附著于鋼材表面，延緩腐蝕物與鋼接觸，腐蝕速度趨緩，進(jìn)入穩(wěn)定腐蝕階段，腐蝕速度約為0.01mm/y。405d后，由于煙氣環(huán)境變化，腐蝕開始加劇。腐蝕速度最快的位置發(fā)生在140m處，最大腐蝕速度為0.018mm/y。通過(guò)試驗(yàn)可以看出，脫硫后煙氣環(huán)境改變加劇了鋼內(nèi)筒的腐蝕，局部腐蝕速度為原來(lái)的1.8倍。焊縫位置腐蝕速度略有不同,但并不明顯，力學(xué)計(jì)算可忽略其影響，按照均勻面腐蝕考慮。

為確定煙氣在無(wú)GGH進(jìn)行加熱情況下對(duì)鋼材的腐蝕速度，試驗(yàn)中在GGH前設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，腐蝕速度達(dá)到0.09mm/y,腐蝕速度大大加快。

3 鋼內(nèi)筒強(qiáng)度核算

鋼套筒式煙囪計(jì)算采用內(nèi)、外筒分開計(jì)算的方法計(jì)算。內(nèi)筒剛度遠(yuǎn)小于外筒，計(jì)算時(shí)僅考慮內(nèi)筒質(zhì)量對(duì)地震力的影響，而不考慮內(nèi)筒剛度的影響[5]。外筒考慮筒壁厚度、坡度變化、開洞位置及外荷載作用點(diǎn)等因素，將外筒分成若干段。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，分段長(zhǎng)度在10m左右時(shí)，計(jì)算的精度就可以滿足工程上的需要，同時(shí)，計(jì)算量也不會(huì)很大。

分析時(shí)首先計(jì)算出外筒在恒載、活載、地震荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載及自重產(chǎn)生的附加彎矩作用下的鋼平臺(tái)標(biāo)高位置處位移，然后將位移施加到內(nèi)筒上，計(jì)算出內(nèi)筒在該位移下內(nèi)力[6]。計(jì)算采用《鋼筋混凝土煙囪計(jì)算繪圖軟件》（能源部西北電力設(shè)計(jì)院）進(jìn)行分析。

由于鋼內(nèi)筒與煙氣直接接觸，所以煙氣溫度變形對(duì)應(yīng)力影響也要考慮。脫硫后煙氣經(jīng)過(guò)GGH煙氣加熱系統(tǒng)后正常運(yùn)行時(shí)的煙氣溫度為85℃，非正常運(yùn)行時(shí)煙氣的溫度為140℃，最大溫差應(yīng)力發(fā)生在1臺(tái)停運(yùn)1臺(tái)運(yùn)行工況下，按公式（1）計(jì)算最不利計(jì)算溫差[3]。

抗壓強(qiáng)度 fch按照公式（2）～（5）計(jì)算，Corten-B鋼屈服強(qiáng)度為ft=355N/mm2。

煙囪從投入運(yùn)營(yíng)至取樣結(jié)束（2010.3），煙囪已運(yùn)行了16年（其中在未脫硫煙氣中運(yùn)行14年，脫硫煙氣中運(yùn)行2年），脫硫前內(nèi)筒腐蝕速度按0.01mm/y計(jì)算，脫硫后腐蝕速度按照0.018mm/y，計(jì)算出內(nèi)筒的總腐蝕厚度為0.18mm。最不利荷載組合情況內(nèi)力分布情況，剛內(nèi)筒最大應(yīng)力出現(xiàn)在煙囪的底部附近，壓應(yīng)力計(jì)算值 σ=84N/mm2、τ=0.7N/mm2。同時(shí)由于腐蝕，筒壁厚度減小，按照公式（2）～（6）材料設(shè)計(jì)承載力 fch=101N/mm2、fvh=50.5N/mm2，計(jì)算值小于材料承載力設(shè)計(jì)值，表明鋼內(nèi)筒目前處于安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

按照材料在脫硫煙氣中腐蝕速度0.018mm/y，計(jì)算煙囪預(yù)計(jì)的使用壽命。當(dāng)腐蝕厚度t=1.89mm，筒壁最大壓應(yīng)力出現(xiàn)也出現(xiàn)在內(nèi)筒底部，應(yīng)力 σ=89N/mm2、τ=0.7N/mm2，此時(shí)，材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fch=89N/mm2、fvh=44.5N/mm2，計(jì)算壓應(yīng)力與設(shè)計(jì)強(qiáng)度相同，達(dá)到極限狀態(tài)。按照腐蝕速度0.018mm/y，內(nèi)筒安全使用年限超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限。

脫硫系統(tǒng)中GGH可有效提高煙氣溫度，減少鋼內(nèi)筒表面結(jié)露現(xiàn)象，對(duì)延緩腐蝕有很大作用。若GGH功效降低或停運(yùn)，腐蝕速度按0.09mm/y計(jì)，將會(huì)明顯縮短內(nèi)筒的安全使用壽命。因此，實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)加大GGH后煙氣溫度的監(jiān)測(cè)，同時(shí)盡量縮短GGH系統(tǒng)的檢修維護(hù)的時(shí)間，最好與電廠停機(jī)檢修的時(shí)間相一致。

4 結(jié)論

①Corten-B在脫硫前后，鋼材腐蝕機(jī)理未發(fā)生變化，腐蝕速度是脫硫前的1.8倍。

②當(dāng)筒壁累計(jì)腐蝕量達(dá)1.89mm時(shí)，鋼內(nèi)筒將達(dá)到承載力的極限狀態(tài)，部分截面將屈服，最先屈服的位置將發(fā)生在鋼內(nèi)筒底部的截面。

③鋼內(nèi)筒腐蝕量達(dá)到極限狀態(tài)需要的時(shí)間超過(guò)煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限，即可認(rèn)為煙囪鋼內(nèi)筒滿足其初始設(shè)計(jì)使用年限要求。

④GGH（煙氣輔助加熱系統(tǒng)）能有效提高煙氣溫度，降低煙氣的結(jié)露現(xiàn)象，從而延緩腐蝕。

[1]陸卯生.火力發(fā)電廠高煙囪設(shè)計(jì)的回顧與展望[J].電力設(shè)備,1998(7).

[2]解寶安.火力發(fā)電廠新建工程濕法脫硫煙囪防滲防腐方案設(shè)計(jì)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2010(43).

[3]廣州電器科學(xué)研究院.媽灣電力有限公司Ⅰ、Ⅱ期煙囪內(nèi)留存掛片試樣檢測(cè)評(píng)估報(bào)告[R].廣州.2009.

[4]劉西林，鄭楷，鄭貴臣.珠海電廠超高煙囪鋼內(nèi)筒腐蝕防護(hù)措施[J].電力設(shè)備,2005(10).

[5]Q/DG 1-T001-2009,火力發(fā)電廠煙囪設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].

[6]GB 50051-2013,煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范[S].