空氣預(yù)熱器的露點腐蝕及預(yù)防措施

李文波，謝億，李登科，胡加瑞，陳紅冬

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

空氣預(yù)熱器的露點腐蝕及預(yù)防措施

李文波，謝億，李登科，胡加瑞，陳紅冬

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

本文采用掃描電鏡、金相顯微鏡、光譜分析等方法分析空氣預(yù)熱器波形板的斷裂失效事故的原因，指出露點腐蝕不僅在波形板表面發(fā)生，造成波形板厚度的減薄，還在合金內(nèi)部發(fā)生，形成腐蝕孔洞，并且嚴(yán)重的露點腐蝕使得波形板的抗沖擊強度嚴(yán)重下降，在吹灰蒸汽的沖擊下，最終斷裂。文章最后總結(jié)了在目前的技術(shù)條件下防止露點腐蝕發(fā)生的措施。

空氣預(yù)熱器；波形板；露點腐蝕；晶間腐蝕

空氣預(yù)熱器利用鍋爐尾部煙氣的熱量加熱燃料燃燒所需用的空氣，可降低排煙溫度，提高鍋爐效率。在空氣預(yù)熱器中，加熱后的空氣溫度約為250～400℃，送入鍋爐燃燒系統(tǒng)，可以提高爐膛溫度，改善燃料著火和燃燒條件，以減少不完全燃燒熱損失。空氣溫度每提高50℃，大約可使排煙溫度降低30～35℃，鍋爐效率可提高2%左右，爐膛溫度的提高，還可以強化爐內(nèi)的輻射換熱，節(jié)省鍋爐的金屬材料，降低造價〔1－4〕；排煙溫度的降低，可以改善引風(fēng)機的工作條件，降低引風(fēng)機的電耗。然而由于中國燃煤質(zhì)量相對較差，燃燒后的煙氣中含有不少硫的燃燒產(chǎn)物(SO2，SO3)，容易造成空氣預(yù)熱器的腐蝕。如果空氣預(yù)熱器煙氣出口段溫度過低，那么煙氣中的硫氧化物，以及水蒸氣會在空氣預(yù)熱器中的管壁上或者蓄熱元件上凝結(jié)，從而造成腐蝕，該腐蝕稱為露點腐蝕〔2，3〕。經(jīng)驗表明，燒燃料氣產(chǎn)生的露點腐蝕溫度在夏季為135℃左右，在冬季為150℃左右。在實際生產(chǎn)中，即使排煙溫度遠高于煙氣的露點溫度，仍有腐蝕發(fā)生，這是由于空氣入口溫度較低，使得靠近預(yù)熱器空氣入口區(qū)域的預(yù)熱管壁的溫度仍低于煙氣露點溫度，煙氣中的硫氧化物及水蒸氣在管壁上凝結(jié)而造成露點腐蝕〔4，5〕。

1 實例分析

某電廠4號爐運行22個月后，即發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器部分熱端蓄熱元件出現(xiàn)變形、破裂等失效現(xiàn)象。空氣預(yù)熱器煙氣加熱溫度為300～390℃，吹灰蒸汽溫度300℃，壓力1～1.2 MPa。出現(xiàn)蓄熱元件破損的區(qū)域主要集中在轉(zhuǎn)子外3圈，破損程度差異不大，且均分布于吹灰蒸汽噴口周圍。破損元件片以波形板居多，定位板較少。

1.1 宏觀形貌觀察

圖1所示為蓄熱元件破損斷裂后的波形板殘片宏觀形貌。波形板殘片表面存在較為明顯的腐蝕產(chǎn)物膜。該腐蝕產(chǎn)物膜與波形板金屬結(jié)合力較差，肉眼觀察可發(fā)現(xiàn)有腐蝕產(chǎn)物膜的大面積脫落。

圖1 波紋板殘片宏觀形貌

1.2 全相組織觀察和化學(xué)成分分析

對波形板的金相組織進行觀察，金相組織為鐵素體，晶界上彌散分布著顆粒狀的碳化物，晶粒大小為20～50 μm，如圖2所示。

圖2 波形板金相組織

對波形板進行成分分析，分析結(jié)果如表1所示，分析結(jié)果表明該蓄熱元件采用碳鋼制造，符合JIS G3141—2009《冷軋鋼板及鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 波形板的化學(xué)成分分析%

1.3 掃描電鏡分析

對波形板截面金相組織進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，原本設(shè)計厚度達5 mm的波形板經(jīng)過長時間腐蝕后減薄嚴(yán)重，這與圖1中觀察結(jié)果相似，由于波形板腐蝕產(chǎn)物與合金結(jié)合力較差，不斷剝落，導(dǎo)致了波形板的持續(xù)腐蝕和減薄。金相組織觀察發(fā)現(xiàn)截面最薄處只剩下約94 μm，只有原厚度的20%不到，如圖3a)所示。從截面中也可以發(fā)現(xiàn)明顯存在的腐蝕坑。圖3b)可更加明顯地觀察到腐蝕坑的存在，盡管該處波形板厚度接近300 μm，但是仍可觀察到在整個波形板截面中有大大小小的腐蝕坑洞，這些坑洞彌散分布在整個波形板截面中，極大地降低了波形板的力學(xué)性能。

圖3 波形板截面組織中的腐蝕孔洞

掃描電鏡下可觀察到波形板表層有一層腐蝕產(chǎn)物膜，其厚度約為30 μm，如圖4a)所示。然而該層腐蝕產(chǎn)物膜不完整，其內(nèi)部可見明顯的縱向裂紋和孔洞，膜與合金的結(jié)合界面也存在裂紋，表明腐蝕產(chǎn)物膜自身不致密，腐蝕介質(zhì)可通過腐蝕產(chǎn)物膜中的缺陷，如裂紋、孔洞等擴散到腐蝕產(chǎn)物膜與合金界面，進一步腐蝕合金。此外，在合金內(nèi)部也可以發(fā)現(xiàn)明顯的晶間腐蝕，晶粒與晶粒制件的晶界已經(jīng)被腐蝕，并且在合金內(nèi)部可發(fā)現(xiàn)部分晶粒的腐蝕。晶間腐蝕使得腐蝕介質(zhì)可沿晶界快速擴散，從而在合金內(nèi)部形成腐蝕孔洞，這與圖3一致，而且晶界的腐蝕造成了晶粒之間結(jié)合力的下降。即使晶粒沒有腐蝕，波形板的強度也大大下降。通過能譜分析可以發(fā)現(xiàn)，不論在腐蝕產(chǎn)物膜中，還是在合金內(nèi)的腐蝕孔洞中，都可以檢測到S和O(如圖4所示)，表明空氣預(yù)熱器波形板的腐蝕與S和O有關(guān)。1.4 露點腐蝕機理分析

圖4 掃描電鏡觀察的波形板截面(顯微組織和化學(xué)成分分析)

燃煤中微量的硫在燃燒中絕大部分形成SO2。SO2中約有1%～5%在一定條件下與氧化合形成SO3。干式SO3對設(shè)備幾乎不發(fā)生作用，但當(dāng)它與煙氣中水蒸汽(5%～18%)結(jié)合形成硫酸蒸汽時.卻大幅度提高煙氣的露點〔3，6〕。這樣，當(dāng)接觸煙氣的表面溫度低于露點時，發(fā)生硫酸蒸汽的凝結(jié)并強烈地腐蝕金屬，即硫酸露點腐蝕。反應(yīng)方程式如下:

硫酸露點腐蝕相較于普通硫酸腐蝕要嚴(yán)重得多，兩者的腐蝕機理也不相同。露點腐蝕中，生成的FeSO4在沉積物的催化作用下，可與煙氣中的SO2和O2進一步反應(yīng)生成Fe2(SO4)3，而Fe2(SO4)3對SO3的生成，即反應(yīng)(2)，具有催化作用，從而促進反應(yīng)(3)以及反應(yīng)(4)的發(fā)生。而當(dāng)pH值低于3時，F(xiàn)e2(SO4)3本身也會對金屬產(chǎn)生腐蝕。

1.5 波形板斷裂原因分析

結(jié)合以上分析結(jié)果，可以確定波形板的斷裂主要是由于煙氣中的硫酸蒸汽在蓄熱元件上凝結(jié)，形成硫酸露點腐蝕而造成的。由于露點腐蝕形成的腐蝕產(chǎn)物膜內(nèi)部存在的多種缺陷，如裂紋、孔洞等，以及腐蝕產(chǎn)物與合金較差的結(jié)合力，使得腐蝕產(chǎn)物膜對合金不具備較好的保護性，合金腐蝕在設(shè)備運行過程中持續(xù)發(fā)生。且腐蝕不僅在合金表面發(fā)生，造成波形板厚度的減薄，使得厚度為5 mm的蓄熱元件經(jīng)過長時間的露點腐蝕后最薄處只剩下94 μm；腐蝕還在合金內(nèi)部發(fā)生，晶間腐蝕的發(fā)生以及使合金內(nèi)部腐蝕孔洞的形成，造成殘留合金的強度大為下降。兩者共同因素造成了波形板的抗沖擊強度降低，在吹灰蒸汽的沖擊下，最終斷裂。

2 露點腐蝕防治措施

由于露點腐蝕的危害較大，通常會造成空氣預(yù)熱器的損壞，因此對露點腐蝕的預(yù)防就顯得尤其重要。露點腐蝕的防治可以從以下幾個方面入手:①提高排煙溫度。盡管降低排煙溫度可以增加鍋爐的熱效率，但是若因此而造成空氣預(yù)熱器的露點腐蝕，則得不償失。將排煙溫度提高到一個保證空氣預(yù)熱器安排的范圍是一種穩(wěn)妥的做法。②及時吹灰。煙塵在空氣預(yù)熱器內(nèi)沉積會降低空氣預(yù)熱器中管道或者蓄熱元件的傳熱效果，從而降低空氣預(yù)熱器的使用效果。但是吹灰時一定要保證蒸汽充分脫水，若采吹灰蒸汽未充分脫水，水與煙灰混合，會加重對空氣預(yù)熱器的腐蝕。③采用熱管。熱管的冷端與空氣接觸。空氣中一般不含SO2和SO3，所以不存在腐蝕。熱管的熱端與煙氣接觸.雖然煙氣中含SO2和SO3，但由于熱管內(nèi)為熱工質(zhì)，管壁溫度較高。所以熱管比普通管露點腐蝕溫度低約20℃，可在新建爐和大型改造中應(yīng)用。

3 結(jié)論

空氣預(yù)熱器波形板的斷裂主要是由于硫酸露點腐蝕造成。硫酸露點腐蝕一方面使波形板在表面生成腐蝕產(chǎn)物，造成波形板厚度的均勻減薄，另一方面在合金內(nèi)部還發(fā)生了晶間腐蝕，并形成了腐蝕孔洞，使得殘留波形板的強度也大為下降。兩者共同因素造成了波形板的抗沖擊強度降低，在吹灰蒸汽的沖擊下，最終斷裂。從提高排煙溫度、及時吹滅、采用熱管等幾個方面采取技術(shù)防范措施，可預(yù)防露點腐蝕的發(fā)生。

〔1〕饒淑娟，劉俊川.低溫腐蝕及防護〔J〕.化學(xué)工程師，1993 (4):34-36.

〔2〕司兆平.空氣預(yù)熱器耐低溫露點腐蝕的改進〔J〕.石油化工腐蝕與防護，1999，16(2):16-17.

〔3〕姜元慶.加熱爐空氣預(yù)熱器腐蝕原因分析〔J〕.石油化工設(shè)備，2013，42(4):84-87.

〔4〕閆本近，董紹平.煉油加熱爐空氣預(yù)熱器的發(fā)展與展望〔J〕.石油化工設(shè)備，2014，43(1):56-60.

〔5〕汪琦.載熱體加熱爐對流受熱面的煙氣腐蝕研究〔J〕.化工裝備技術(shù)，1998，19(2):37-40.

〔6〕王維宗.硫酸露點腐蝕機理與防護〔J〕.石油化工腐蝕與防護，1992，9(4):16-22.

Dew point corrosion of air preheater and its precaution

LI Wenbo，XIE Yi，LI Dengke，HU Jiarui，CHEN Hongdong
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The paper analyzes the fracture reason of the corrugated plate by the method of scanning electron microscope (SEM)，metallographic microscope，spectroanalysis instrument，and pinots out that dew point corrosion occurs not only at the surface of the corrugated plate，resulting in the thinning of the plate，but also occurs and forms cores in the inner part of the plate.Serious dew point corrosion results in the severe decrease of strength of the corrugated plate and the the corrugated plate is broken due to the impact of the blowing steam.At last the paper concludes precaution of preventing dew point corrosion under the condition of current technology.

air preheater；corrugated plate；dew point corrosion；intergranular corrosion

TK223.34

B

1008-0198(2016)01-0028-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.008

2015-06-30 改回日期:2015-08-07

李文波(1987)，湖南長沙人，工程師，博士，從事電力金屬材料研究。