劉國剛,康夜雨,劉興力,袁文兵,趙大鵬

(華能國際電力股份有限公司德州電廠,山東 德州 253024)

隨著我國煤炭的含硫量逐漸提高,電站鍋爐的水冷壁內壁溫度不斷升高,將旋流法+燃盡風法結合的電站鍋爐被廣泛應用,使得電站鍋爐的水冷壁壁面高溫腐蝕問題日益嚴重[1]。很多電廠鍋爐在高溫下,每年都會出現2 mm左右的銹蝕。一般情況下,水冷壁的壁面厚度在7～8 mm,如果水冷壁的壁面厚度減少30%以上,則必須進行替換,也就是說,如果是壁面高溫腐蝕比較嚴重的電廠鍋爐,在使用1～2年后,就必須停爐對燃燒器區(qū)域的水冷壁壁面進行大規(guī)模更換,這樣會造成大量經濟損失[2]。目前,電廠鍋爐水冷壁的工作介質壓力基本超過了22 MPa,工作介質的溫度超過373 ℃,如果電廠鍋爐水冷壁壁面的厚度減少,就會造成管道強度不夠,出現橫向裂紋,不僅會影響發(fā)電機組和電力系統的安全和經濟運行,甚至還會造成重大的人員傷亡[3]。

韓志遠[4]為了適應我國目前對大氣環(huán)境的高質量發(fā)展要求,現有燃煤鍋爐要想達到大氣排放標準,就需要對其進行節(jié)能減排改造。由于鍋爐在改造后的運行條件發(fā)生了改變,導致了水冷壁在高溫下的化學腐蝕而出現開裂。采用了金相和能譜等方法,對600 MW燃煤鍋爐的化學腐蝕進行了研究。研究發(fā)現,由于煤炭在水冷壁上產生了大量的硫化物,使其在高溫下發(fā)生了熔融反應,再加上溫度的變化發(fā)生了腐蝕開裂。李燁等人[5]針對660 MW超臨界汽輪機的水冷壁上存在的橫向裂縫,提出了一種溫差應力的計算方法。重點分析了蒸汽管道中水冷壁的溫度場和應力場、某一區(qū)域管板在不同溫度梯度下的應力場,以及當某一區(qū)域有換熱時應力場的變化。研究發(fā)現,在吹灰過程中,對鍋爐內部的溫度分布會產生顯著影響,主要作用在以吹灰口為圓心的環(huán)形區(qū)域,但對爐膛內部的應力振幅無明顯的影響。

基于以上研究背景,本文通過開展腐蝕實驗,分析了影響鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕的因素,為鍋爐水冷壁的安全運行提供可靠的依據。

1 實驗原理及條件

1.1 鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕實驗原理

采用一套高溫腐蝕試驗裝置,模擬鍋爐水冷壁的運行環(huán)境,利用腐蝕性氣體在高溫的鍋爐內對試驗塊體進行了腐蝕試驗。實驗過程中,引入控制變量的方法[6],也就是保證其他實驗條件不變,研究單一元素對鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕的影響。

鍋爐在實際運行中,由于溫度的腐蝕速度比較慢,采用實際煙氣的濃度來進行試驗,不僅腐蝕耗時較久,而且成本也很高[7]。本文通過加速腐蝕試驗,使鍋爐壁管中H2S和 CO氣體濃度與原來的濃度相比有所增加。隨著腐蝕介質的濃度增加,腐蝕速率逐漸增大。從而可以縮短腐蝕的時限,加快腐蝕過程[8]。

在高溫下,試樣的表面質量會隨腐蝕深度的增加而改變。利用重量法測量鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕速率的變化情況,是測量腐蝕速率的一種簡便、直接的手段[9]。重量測量有兩種方法,即增重法和失重法,失重法需要完全去除樣品的表面腐蝕物,這一過程會導致樣品出現損傷。為此,本文在試驗研究中采取了增加重量的方法[10]。研究了在不同腐蝕時段中,樣品的質量增加對腐蝕速率V的影響,關系表達式為

(1)

式中:G1為腐蝕實驗結束時樣品的質量,g;G0為試樣的初始質量,g;t為腐蝕時間,s;Sall為試樣的表面積,cm2。

1.2 確定氣氛條件

鍋爐在運行過程中,水冷壁壁面附近會產生H2S、CO、SO2、SO3、CO2、H2、N2、O2、CH4等成分,在不同的配風和燃燒狀態(tài)下,煙氣的成分也會發(fā)生改變,在實驗室條件下對鍋爐內部的煙氣組成進行模擬具有一定難度。H2S是煙氣中腐蝕性比較強的成分[11],CO和O2成分是氣氛條件的決定因素,對鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕的影響最嚴重。本文選擇還原性氣氛條件[12],將H2S、CO、N2、O2按照不同比例混合進行實驗,其中N2可以平衡爐內氣壓并保護鍋爐內壁。

鍋爐水冷壁壁面H2S與CO存在顯著的線性關系,其關系曲線如圖1所示。

圖1 H2S濃度與CO濃度的關系

圖1的結果中,鍋爐內部煙氣的氧氣含量與H2S也存在一定關系,如果煙氣的氧氣含量比較低,CO就不會發(fā)生化學反應,導致CO的含量增加。因此,H2S、O2與CO之間的相互制約關系為氣氛條件的確定提供了依據。

1.3 實驗系統

1.3.1 實驗裝置

鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕實驗裝置包括尾氣處理裝置、高溫加熱爐、氣氛控制器和氣體導入單元[13],其結構如圖2所示。

圖2 實驗裝置結構圖

實驗裝置中的高溫加熱爐通常是100～1 500 ℃的真空氣氛管式電鍋爐,在高溫加熱過程中,升溫速率在2～12 ℃/min。

1.3.2 制備試樣塊

采用660 MW超臨界鍋爐水冷壁割管作為實驗材料,其成分如表1所示。

表1 實驗材料成分 %

實驗用的水冷壁是一段長度為8.0 mm、直徑為39.2 mm的鋼管,通過線切割將樣管切割成25 mm×10 mm×5 mm的弧面試樣塊和15 mm×10 mm×5 mm試樣塊。實驗開始的前一天,用砂紙對試樣塊進行打磨,將丙酮倒入超聲波清洗儀中,給試樣塊清洗5 min,將表面的油漬和灰塵擦拭干凈。從超聲波清洗儀中去除試樣塊,在熱風下干燥密封。利用游標卡尺測量試樣塊的長、寬、高,計算試樣塊的表面積。

1.4 實驗方案

在每個試驗之前,選擇6個長、寬、厚為20、20、2 mm的樣品,按順序編號1～6。選擇4個長、寬、厚為15、15、2 mm的樣品塊,按順序編號7～10號。對于1～10號樣品,使用0.1 mg的精密秤進行稱重和記錄。接下來,將1～10號樣品分別放置在四塊石英玻璃上,通過鐵鉤將它們推進到鍋爐的中央[14],打開每個鋼瓶的閥門,并使用香皂液來檢查連接件的密封性能。

在確保密封性能的前提下,設定了鍋爐水冷壁壁面的加熱過程:加熱速度為5 ℃/min,并按試驗需要設定加熱時間。在0～20 h內,設定鍋爐的恒溫時間為12 h。在20～180 h的腐蝕過程中,設定了鍋爐的溫度恒定時間為60 h。當加熱開始時,打開N2氣罐,將流速設定為80 m/min,確保加熱期間鍋爐中有流動的氣流,防止剛玉管干燒,試樣塊不會與原來的空氣產生反應,也不會將原來的煤氣排放出去,防止在進入后產生爆炸的風險[15]。在鍋爐加熱到一定的溫度后,打開每個氣缸的閥門,通過壓力和轉子流量表調整到各自的流量。在試驗的恒溫狀態(tài)下,要經常調整各個氣流的流速,并要確保試驗的精度。

當腐蝕時間為20、40、60、80、100、120、140、160、180 h,關閉 CO、H2S、O2氣缸,將N2流速調節(jié)到100 m/min,然后在鍋爐恒溫階段進行自動降溫。為了避免工人的燒傷和水冷壁的快速冷卻引起的儀器損壞,在溫度低于100 ℃的情況下,將樣品塊取出來,并對1～10號樣品進行了照相和稱量。

2 結果分析

2.1 氣氛條件對鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕的影響

實驗過程中,選取500 ℃作為腐蝕實驗溫度,設置了如下氣氛條件:

氣氛條件一:0.01%H2S+7%CO+1%O2+91.99%N2;

氣氛條件二:0.03%H2S+15%CO+1%O2+83.97%N2;

氣氛條件三:0.06%H2S+22%CO+1%O2+76.94%N2。

在上述氣氛條件下,將鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕時間設置為180 h。測試了腐蝕增重量與腐蝕時間的變化情況,結果如圖3所示。

圖3 氣氛條件對鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕增重量的影響

從圖3的結果可以看出,隨著腐蝕時間越來越長,試樣塊的質量越來越大,其中,在氣氛條件三下的增重最大,其次是氣氛條件二,氣氛條件三下的增重最小。說明氣氛中的硫含量越多,鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕越嚴重,導致壁管出現橫向裂紋而出現泄漏風險。

為了詳細分析鍋爐水冷壁壁面在高溫條件下的腐蝕速率,根據式(1)計算鍋爐水冷壁壁面的腐蝕速率,結果如圖4所示。

圖4 氣氛條件對鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕速率的影響

圖4的結果顯示,在三種氣氛條件下,隨著腐蝕的進行,鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕速率逐漸下降。在氣氛條件一下,隨著腐蝕的進行,腐蝕速率呈下降-升高-下降-升高趨勢;在氣氛條件二下,隨著腐蝕的進行,腐蝕速率呈下降-升高-下降趨勢;在氣氛條件三下,隨著腐蝕的進行,腐蝕速率呈下降-升高趨勢。利用式(1)對圖4中的腐蝕速率進行算術平均運算之后,發(fā)現鍋爐內H2S的含量每增加0.01%,鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕速率就會增加12.5%。

當腐蝕時間為100 h和180 h時,利用能譜儀對不同氣氛條件下的腐蝕產物進行EDS分析,結果如表2和表3所示。

表2 腐蝕100h后腐蝕產物的EDS分析 %

表3 腐蝕180h后腐蝕產物的EDS分析 %

根據以上的結果可知,在不同氣氛條件下,隨著鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕的進行,SiO2的含量越來越多。腐蝕過程中,Cr、Mn均沒有明顯變化。在氣氛條件一和氣氛條件二下,隨著鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕的進行,氧化鐵的質量分數分別為93.25%和91.26,與原始試樣相比有所下降,而SO2的質量明顯增加。但是Fe2O3和SO2的腐蝕速率變化很慢,在樣品表面沒有檢測到硫化物。在氣氛條件三下,Fe2O3的質量分數增加,SO2的質量分數下降,但是樣品表面沒有碳化物,說明CO沒有參與鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕,壁管橫向裂紋泄漏風險較低。

2.2 溫度對鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕的影響

在2.1中氣氛條件下,將鍋爐水冷壁外壁面的溫度設置為400、500和600 ℃,不同溫度的腐蝕時間均為180 h。圖5給出了溫度對鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕增重量的影響。

圖5 溫度對鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕增重量的影響

圖5的結果顯示,隨著鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕的進行、溫度的升高,樣品腐蝕后的重量逐漸增加,說明溫度越高,壁管越容易出現橫向裂紋,從而出現泄漏風險。

利用式(1)計算不同溫度下的腐蝕速率之后,繪制溫度對鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕速率的影響曲線,如圖6所示。

圖6 溫度對鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕速率的影響

從圖6的結果可以看出,在不同溫度下,腐蝕進行40 h時,腐蝕速率明顯下降。原因是樣品經過砂紙打磨之后,氧化膜逐漸變薄,在腐蝕前期,增加的重量主要是硫化膜的質量和氧化膜的質量。

當腐蝕時間為100 h和180 h時,利用能譜儀對不同溫度下的腐蝕產物進行EDS分析,結果如表4和表5所示。

表4 腐蝕100 h后腐蝕產物的EDS分析 %

表5 腐蝕180h后腐蝕產物的EDS分析 %

上述結果顯示,當腐蝕溫度從400 ℃升高到500 ℃時,腐蝕產物的EDS分析符合鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕規(guī)律。當溫度升高到600 ℃時,產生了新產物,并隨著鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕的進行,其含量逐漸增加。

綜合以上結果可知,鍋爐煙氣的H2S含量越多,鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕越嚴重,腐蝕速率也越快。隨著腐蝕的進行,鍋爐水冷壁壁面會同時發(fā)生氧化和硫化作用,增加了表面膜的厚度。鍋爐煙氣的H2S含量越多,壁管出現橫向裂紋的概率越大,在氧化和硫化作用下發(fā)生泄漏的風險也越大。此外,溫度的升高會增加腐蝕空隙的大小,溫度越高,鍋爐水冷壁出現脫碳現象越嚴重,容易出現壁管橫向裂紋而發(fā)生泄漏。

3 結 語

本文提出了鍋爐水冷壁壁面高溫腐蝕及壁管橫向裂紋泄漏試驗研究,結果顯示,氣氛條件和溫度都會導致鍋爐水冷壁壁面出現高溫腐蝕,使壁管出現橫向裂紋而出現泄漏風險。但是本文的研究還存在很多不足,在今后的研究中,希望可以將樣品切割成更大體積的試塊,增加腐蝕產物的含量,結合XRD分析,增強腐蝕產物分析結果的說服力。