余熱鍋爐流動加速腐蝕的原因和預(yù)防措施

陸定康，潘浩

(江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213000)

余熱鍋爐流動加速腐蝕的原因和預(yù)防措施

陸定康，潘浩

(江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213000)

簡要分析了余熱鍋爐流動加速腐蝕的主要原因，并針對性地提出了余熱鍋爐受熱面泄漏的預(yù)防措施，旨在為余熱鍋爐的應(yīng)用與維護實踐提供參考。

余熱鍋爐;流動加速腐蝕；蒸發(fā)器；溫度；預(yù)防措施

0 引言

余熱鍋爐是聯(lián)合循環(huán)電站中回收燃氣輪機余熱產(chǎn)生的蒸汽，推動蒸汽循環(huán)的發(fā)電換熱設(shè)備。余熱鍋爐只有汽水、煙氣系統(tǒng)，傳熱溫差小，受熱面管子螺旋鰭片管進行強化傳熱，一方面增加傳熱面積，一方面增大傳熱系數(shù)；對于燃氣輪機，由于排氣溫度較高，流量大，與其匹配的余熱鍋爐一般采用三壓、再熱，雖然汽水系統(tǒng)復(fù)雜，造價高，但排氣熱量得到了充分利用，有利于提高電廠熱效率。

1 流動加速腐蝕

流動加速腐蝕(FAC)是指在強還原環(huán)境下的紊流區(qū)(如管道彎頭、三通、異徑管連接處)發(fā)生的加速性腐蝕。FAC多見于暴露在流動介質(zhì)體系中的機械設(shè)備，各地電廠已經(jīng)發(fā)生多起FAC引起的突發(fā)性爆管事故，造成人身及設(shè)備的嚴重傷害。在聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的電廠中，F(xiàn)AC 發(fā)生在單相或氣液兩相變化的部位，已成為導(dǎo)致余熱鍋爐可用率降低的主要原因。FAC一般發(fā)生在除氧水中，發(fā)生時金屬表面呈均勻腐蝕狀態(tài)，其表面上有一層由運行條件與水化學(xué)工況決定的多孔氧化層，該氧化層及金屬基體的溶解、剝離是一種持續(xù)、線性的過程[1]。

FAC包括2個過程：一個是化學(xué)過程，即腐蝕過程，鐵在鐵/磁鐵礦界面的游離氧水溶液中發(fā)生氧化反應(yīng)；另一個是物理過程，即FAC的加速過程，當流體流速增加時，管道內(nèi)壁表面流體流動時產(chǎn)生的附加剪切力隨之增加，剪切力越大，管壁氧化層就越薄，研究發(fā)現(xiàn)FAC速度與流速的立方呈線性關(guān)系。雖然化學(xué)過程為主因，但由于動力因素的存在，腐蝕會發(fā)生變化。

2 現(xiàn)場情況

江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司現(xiàn)有6臺機組，F(xiàn)級一期#1，#2 2臺機組配備三壓、再熱、臥式、無補燃自然循環(huán)余熱鍋爐，室外布置，由福斯特惠勒動力機械有限公司(FWPM)設(shè)計監(jiān)造；E級#5，#7 2臺機組配備杭州鍋爐廠2套雙壓、臥式、無補燃、自身除氧、自然循環(huán)燃機余熱鍋爐；F級二期#3，#4 2臺機組配備杭州鍋爐廠2套三壓、再熱、臥式、無補燃、自身除氧、室外布置的自然循環(huán)燃機余熱鍋爐。

F級一期余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器布置在模塊4，橫向管排111根，縱向9排，縱向管屏數(shù)為5 個，受熱面均為?38.1mm×2.7mm螺旋鰭螺片管，管子材料為SA178-A，螺旋鰭片材料為碳鋼。

E級余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器布置在模塊4，橫向排數(shù)為66排，縱向10排，縱向管屏數(shù)為3個，受熱面均為?50.8mm×3.0mm螺旋鰭螺片管；管子材料為20G，螺旋鰭片材料為碳鋼。

除氧蒸發(fā)器布置在模塊4，橫向排數(shù)為64排，縱向3排，縱向管屏數(shù)為1個，受熱面均為?50.8mm×3.0mm螺旋鰭螺片管；管子材料為20G，螺旋鰭片材料為碳鋼。鍋爐相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1。

2012年5月29日F級一期#2燃機余熱鍋爐在停機后發(fā)現(xiàn)鍋爐內(nèi)有水汽漏出，判定鍋爐內(nèi)有泄漏點。后放水冷卻再進水檢查發(fā)現(xiàn)泄漏點為低壓蒸發(fā)器中間聯(lián)箱(共3組)、爐前向后第2排(共5排)、西側(cè)第1根泄漏，如圖1所示。泄漏點在低壓蒸發(fā)器上升管離開聯(lián)箱角焊縫150mm處，破口處內(nèi)壁腐蝕嚴重，剖開內(nèi)壁呈麻坑狀。6月5日第一次水壓試驗發(fā)現(xiàn)低壓蒸發(fā)器西側(cè)聯(lián)箱(共3組)，爐前向后第1排(共5排)、西側(cè)第1根泄漏。低蒸全面檢查，后商定打開爐頂所有低蒸聯(lián)箱內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)低蒸出口管存在內(nèi)腐蝕情況為普遍現(xiàn)象，經(jīng)過核對后悶堵68根，加套管3根。

表1 鍋爐相關(guān)設(shè)計參數(shù)

圖1 F級一期 #2燃機余熱鍋爐泄漏

2016年12月8日運行人員發(fā)現(xiàn)E級#7余熱鍋爐尾部煙道與煙囪連接處西側(cè)蒙皮滴水，由于機組正處于運行中，無法確認受熱面泄漏情況。停機冷卻，2016年12月10日15點30分，檢修人員打開鍋爐頂和鍋爐底人孔門進入受熱面檢查，發(fā)現(xiàn)鍋爐頂除氧蒸發(fā)器出口集箱爐前第3排西側(cè)第1根和第2根出口管泄漏，泄漏點位于2根出口管北側(cè)45°背弧處。金屬試驗人員對2根出口管泄漏點周圍進行壁厚測量，均為0.5 mm，如圖2所示。泄漏點在上升管到聯(lián)箱角焊縫處，切開斷面背弧腐蝕量最大，剖開內(nèi)壁呈麻坑狀。

圖2 E級 #7燃機余熱鍋爐泄漏

3 原因分析

通常條件下，低壓所對應(yīng)的Fe3O4的溶解率最高，所以FAC一般發(fā)生在低壓蒸發(fā)器管束處。圖3顯示了Fe離子溶解度隨爐水溫度和pH值的變化曲線。F級低壓汽包水溫在158 ℃，而E級除氧器水溫為145 ℃，E級低壓汽包水溫為139 ℃，均在150 ℃左右范圍內(nèi)，處于水對Fe3O4溶解最嚴重的區(qū)域，最容易產(chǎn)生流動加速腐蝕的區(qū)域。

無論是F級低壓蒸發(fā)器還是E級除氧蒸發(fā)器泄漏均發(fā)生在蒸發(fā)器出口管段，接近聯(lián)箱變徑處，變徑產(chǎn)生湍流，流速增加，管內(nèi)流動狀態(tài)為紊流狀態(tài)。管內(nèi)表面形成的Fe3O4氧化膜的附著力差,在水流的沖擊下會撕裂、溶解，因此發(fā)生了FAC，F(xiàn)e3O4的溶解度和管子材料損失量也隨之增加。

圖3 Fe3O4溶解度隨爐水溫度和pH值的變化曲線

FAC主要發(fā)生在低壓蒸發(fā)器聯(lián)箱兩側(cè)和迎風(fēng)面端部的上升管上。迎風(fēng)面管束受熱較大，而聯(lián)箱兩側(cè)均為整體吊裝模塊的邊緣側(cè)，此處管束與內(nèi)襯板間隙必然存在煙氣走廊，煙氣走廊減小了煙氣的流動阻力，增加了附近管子的煙氣流速，導(dǎo)致此處管路蒸發(fā)量增加，加速FAC。

研究表明，在碳鋼中加入適當?shù)腃r可以顯著地改善碳鋼的抗FAC的性能。當碳鋼中的Cr質(zhì)量分數(shù)≥0.04%時,碳鋼表面氧化膜含Cr量增加到一定程度就會形成Fe3-XCrO4尖晶石氧化膜，大大降低FAC速度[2]。

4 預(yù)防、處理措施

結(jié)合FAC的發(fā)生機理和影響因素，低壓管段可能受到潛在的危險區(qū)域是那些流速大、局部受熱不均、pH值高等綜合作用下的碳鋼、低合金鋼的部位。可以采取以下措施降低FAC速度。

(1)為了防止FAC加速，對給水pH值控制在9.4以上是必須嚴格要求的。以9F余熱鍋爐為例，由于凝結(jié)水出來的給水全部進入低汽包，然后通過中、高壓給水泵進入中壓和高壓系統(tǒng)，因此低壓汽包應(yīng)該采取監(jiān)督措施來維持鍋爐的pH值。

(2)管子材料選擇。考慮到發(fā)生FAC的所有管子材料都是碳鋼，而Cr質(zhì)量分數(shù)≥0.04%時，F(xiàn)AC的速度大大降低，因此將F級一期的#2爐聯(lián)箱兩側(cè)易發(fā)生FAC出口管的材質(zhì)更換為12Cr1MOV的材質(zhì)，并適當增加壁厚。

(3)增加溫度測點。為了防止FAC的發(fā)展影響余熱鍋爐的可靠性，在低壓蒸發(fā)器單個模塊兩側(cè)和中間部分增加了溫度測點，嚴格監(jiān)視因為煙氣走廊造成的局部管段受熱情況，并及時的根據(jù)煙溫變化檢查爐內(nèi)折煙板和檔煙板的情況。

(4)增加壁厚檢查頻次。利用停機檢修時間對余熱鍋爐低壓蒸發(fā)管、除氧蒸發(fā)器出口段內(nèi)壁壁厚進行檢查，通過測厚、內(nèi)窺鏡記錄對比隨時關(guān)注受熱面FAC發(fā)展情況。

5 結(jié)束語

FAC已成為導(dǎo)致余熱鍋爐可用率損失的主要原因，是目前余熱鍋爐從設(shè)計到鍋爐運行維護技術(shù)監(jiān)督最重要的技術(shù)管理環(huán)節(jié)。由于FAC發(fā)生在管道內(nèi)部，正常的檢查思維易忽視，往往發(fā)生FAC事故時，受熱面失效的部位已經(jīng)很嚴重，給檢修和恢復(fù)帶來很大的工作量，因此，為確保設(shè)備健康運轉(zhuǎn)，必須全方位、全過程的對FAC狀況進行監(jiān)控檢查。

[1]束國剛，薛飛，遆文新，等.核電廠管道的流體加速腐蝕及其老化管理[J].腐蝕與防護，2006，27(2):72-76.

[2]唐炯.流速加速腐蝕引起的碳鋼管壁減薄[J].核科學(xué)與工程,2001,21(2):189-192.

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2017-05-25；

2017-07-10

TK 268

B

1674-1951(2017)08-0072-02

陸定康(1974—)，男，江蘇常州人，助理工程師，從事鍋爐檢修工作(E-mail:756496988@qq.com)。

潘浩(1975—)，男，江蘇常州人，從事鍋爐檢修工作(E-mail:969025560@qq.com)。