燃煤鍋爐水冷壁管高溫腐蝕機理與防護

曾其海（廣西特種設備檢驗研究院防城港分院，廣西 防城港 538000）

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燃煤鍋爐水冷壁管高溫腐蝕機理與防護

曾其海（廣西特種設備檢驗研究院防城港分院，廣西 防城港 538000）

燃煤鍋爐水冷壁管在運行時受工況環境的影響而發生高溫蠕變、腐蝕疲勞和飛灰磨損并導致壁厚減薄甚至爆管的情況時有發生。本文主要論述燃煤鍋爐水冷壁管煙側的高溫腐蝕類型及討論其腐蝕機理；并結合燃煤鍋爐水冷壁管煙側高溫腐蝕研究現狀提出幾種有效防護方法。

高溫腐蝕；機理；防護；水冷壁；燃煤鍋爐

引言

近年來，由于高溫蠕變、飛灰磨損和腐蝕疲勞等原因引起燃煤鍋爐“四管”失效的事故屢見不鮮。據數據統計，鍋爐“四管”事故占全部鍋爐事故的2/3左右［1］。而事故原因除材料質量控制缺陷外，更多是管子高低溫腐蝕、磨損或氫脆后引起。燃煤鍋爐水冷壁管由于與燃料煤直接接觸，其所處的爐內壞境是“四管”中最為復雜的。因此，燃煤鍋爐水冷壁管煙側的腐蝕與防護一直以來都是材料研究者研究的熱點之一［2～4］。

1　高溫腐蝕類型及腐蝕機理

碳素鋼和碳素合金鋼制成的水冷壁受熱面管從物相上可分為金屬基體層，氧化層，附著層。在整個氧化層中的磁性氧化鐵（Fe3O4）是一層致密和穩定的保護性氧化膜，附著層分為與氧化層形成化學附著關系初始積灰層和飛灰沉積層兩類。腐蝕的過程取決于附著層的物理化學性質，而腐蝕類型由致腐物質決定［5］。

1.1硫酸鹽型高溫腐蝕

鍋爐運行時，水冷壁首先發生氧化反應，在管壁表面形成Fe2O3氧化層：

Fe+O2→FeO

FeO+O2→Fe2O3

此時，燃料灰中的氧化鈉和氧化鉀與煙氣中的SO3反應生成硫酸鹽，并沉積在水冷壁管受熱面上：

M2O+SO3→M2SO4

溫度升高時，水冷壁管受熱面上熔融的硫酸鹽（M2SO4）和Fe2O3與煙氣中的三氧化硫化合生成復合硫酸鹽：

3M2SO4+Fe2O3+3SO3→2M3Fe（SO4）3

或3M2SO4+Fe2O3+3SO3→2MFe（SO4）3

復合硫酸鹽在水冷壁管面表層受高溫作用分解為硫酸鹽和氧化鐵，但此時的氧化鐵已成為疏松的沉積層，對水冷壁管沒有保護作用［6］。附著層中熔融硫酸鹽和SO3向金屬基體層內擴散，與新的氧化鐵反應，當致腐物質源源不斷補充到腐蝕前沿時，腐蝕過程就會持續進行。

1.2硫化物型高溫腐蝕

煤燃燒過程中，黃鐵礦粉末在受熱面管壁上受高溫作用，FeS2發生分解：

FeS2→FeS+S

分解生成的硫與受熱面管壁金屬Fe反應生成FeS：

Fe+S→FeS

此外，燃燒氣氛中少量H2S也會參與反應。H2S不但能與金屬Fe直接反應生成FeS；還能穿過疏松的氧化鐵層，與較致密的磁性氧化鐵層中復合的FeO作用：

Fe+H2S→FeS+H2

FeO+H2S→FeS+H2O

H2S與水冷壁管受熱面金屬反應生成硫化亞鐵，而硫化亞鐵又可進一步氧化成氧化鐵，因此水冷壁管受熱面腐蝕產物中既有硫化亞鐵，也有氧化鐵。由于自身多孔性的原因，這些硫化鐵和氧化鐵對水冷壁管沒能起到保護膜的作用，因此管壁會繼續腐蝕。

1.3氯化物型高溫腐蝕

煤燃燒時，燃料中所含的大部分氯化鈉晶體會蒸發。NaCl在爐膛內可能發生的反應如下：

NaCl+H2O→NaOH+HCl

2NaCl+H2O+SO2+1/2O2→NaSO4+2HCl

2NaCl+H2O+SiO2→NaSiO3+2HCl

水冷壁管受熱面的氧化膜遭受HCl的破壞，反應生成汽化點很低的氯化亞鐵，氯化亞鐵會馬上揮發，從而使管壁金屬基體直接暴露給HCl。與此同時，被破壞的氧化膜為H2S直達金屬表面提供便利，從而加速管壁金屬的腐蝕［7］。

2　水冷壁高溫腐蝕防護措施

由于工況環境的惡劣性，水冷壁管高溫腐蝕防護很難有長效的解決辦法。就目前研究現狀而言，水冷壁管高溫腐蝕的防護措施主要有以下幾種：

2.1設計和燃料的要求

合理的設計是指鍋爐合理的配風和強化爐內的湍流混合以避免局部出現還原性氣體；控制好燃燒器內燃料濃度分布均勻化，以確保燃燒能穩定、合理進行，從而避免水冷壁管局部結焦和降低鍋爐燃燒效率。控制煤粉的顆粒度，以防止煤粉顆粒較粗時不易燃盡以及火焰易沖刷爐墻，從而引起高溫腐蝕和飛灰磨損。此外，在定期維護檢查過程中，對可能會出現爆管的管子應進行及時更換。

2.2對管壁進行熱噴涂防腐防磨

對鍋爐水冷壁管實施熱噴涂防護，可以有效防止水冷壁管的高溫腐蝕和磨損。表1為常用幾種熱噴涂技術參數對比。電弧噴涂和等離子噴涂能形成結合強度較高、孔隙率較低和氧化物較少金屬涂層。火焰噴涂因溫度和噴涂速度較低，致使其涂層孔隙率較高，氧化物較多，結合強度較低。近年來，隨著技術和設備的不斷發展，采用電弧噴涂技術制備金屬涂層時具有結合強度高、成本低、安全性高、生產效率高諸多優點，因此，電弧噴涂技術已逐步取代火焰噴涂和等離子噴涂［6］。

鍋爐水冷壁管的工況條件有以下特點：高溫沖蝕磨損、高溫氧化和高溫腐蝕。因此，由電弧噴涂制備的金屬涂層必須具備高結合強度、低孔隙率和良好耐沖蝕磨損性能，以應付惡劣的工況環境。田保紅等人［8］利用高速電弧噴涂技術制備的Fe3Al涂層強度為20.4MPa，孔隙率小于2%，低角度下相對沖蝕磨損抗力性能優異，且噴涂工藝穩定、簡便，可用于制備鍋爐水冷壁管防護涂層。馬崇等人［9］利用高速電弧噴涂技術在20號鋼表面制備FeCrAl涂層，研究表明該涂層組織致密，孔隙率僅為1.842%，并具有良好的耐高溫腐蝕和耐飛灰磨損性能，可以作為燃煤鍋爐水冷壁管受熱面防護涂層。應用實例表明［10～11］，對鍋爐水冷壁管面易減薄部位實施超音速電弧噴涂防護可有效阻止水冷壁管的減薄，既能減少非正常停爐時間，又能減少水冷壁管維修費用。

表1　常用幾種熱噴涂技術參數對比

2.3采用滲鋁管防高溫腐蝕

通過熱處理工藝，讓鋼件表面滲入一定濃度的鋁原子，形成一層連續致密的鋁鐵合金層，稱為滲鋁熱處理。國內學者對鍋爐水冷壁管進行滲鋁防護的研究見報道于70年代［12～13］。為防止水冷壁管高溫腐蝕，只需采用熱浸滲鋁法對管外壁進行滲鋁，管內壁和兩端不需要滲鋁［13］。經熱浸滲鋁后管子由外到內三層結構分別為：氧化鋁硬殼層、鋁鐵合金層、金屬基體層。研究表明［2，12～14］，水冷壁管經滲鋁熱處理后，其耐腐蝕、耐磨損和耐高溫氧化特性均有不同程度提高，既能延長水冷壁管的使用壽命，又能節省煤燃料的使用，使企業實現節能降耗。

實際運用中，滲鋁管也存在缺陷：強度比母材低；內壁沉垢速度較快，且向火側內壁的垢量較背火側內壁多［15］，易造成水冷壁管局部過熱，而引起水冷壁管鼓包爆管。使用強度大的鋼管作為母材，使其滲鋁后仍具有較高強度，同時在鋼管滲鋁熱處理后按照母材的正火工藝對其進行正火處理可提高滲鋁管的強度［16］。研究發現［17］，滲鋁水冷壁管在加工處理時內壁殘留的大量氧化皮是導致鍋爐運行時水冷壁管結垢爆管的根本原因，而采用常溫鹽酸浸泡法可解決滲鋁水冷壁管內壁結垢問題。

2.4采用高溫低氧燃燒技術

90年代以來在發達國家開始普遍推廣應用高溫低氧燃燒技術［18］。將高溫空氣（800℃以上）噴入爐膛，在爐膛內形成低氧濃度（低于15%）燃燒條件，并將燃料也噴送到氣流中燃燒。高溫低氧燃燒技術不僅能提高鍋爐的效率和機組的經濟性，還能避免和減少高溫受熱面的高溫腐蝕及尾部受熱面的低溫腐蝕，具有高效節能、低氮氧化物污染等多重優越性。

3　結論

由于煤種的多樣性，在未來相當長時間里，燃煤鍋爐水冷壁管受熱面的高溫腐蝕問題的復雜性和嚴重性會持續存在。合理的設計鍋爐結構，加強燃燒的控制、采用合理的配風系統，加強燃料和水質的控制，提高水冷壁管自身的抗高溫腐蝕和耐飛灰磨損能力，是克服燃煤鍋爐水冷壁管煙側高溫腐蝕最有效的方法。

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曾其海（1988-），男，助理工程師，主要從事承壓特種設備檢驗檢測及材料失效分析工作。

TG172.82

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2095-2066（2016）16-0257-02

2016-5-1