直流爐發電機組中流動加速腐蝕機理及抑制方法

于 洋， 康艷昌， 周 洋

(華電電力科學研究院有限公司， 濟南 250014)

隨著火力發電機組利用時間的降低及環保要求的提高，各發電集團新增燃煤發電機組以更為經濟、環保的超臨界和超超臨界直流爐發電機組為主。在高參數直流爐發電機組中，高壓加熱器及疏水管道等爐前熱力系統運行參數有了較大提高，易發生流動加速腐蝕(FAC)。FAC發生時會引起腐蝕部位的迅速減薄甚至破裂，給生產帶來安全隱患。產生的腐蝕產物會隨著水汽遷移，沉積于省煤器、水冷壁、汽輪機葉片及熱力系統調節閥等部位，進而帶來機組水汽流程阻力增加、鍋爐化學清洗周期縮短、鍋爐受熱面過熱爆管等問題。

抑制直流爐發電機組中FAC的發生，可有效提高發電機組運行的可靠性及經濟性。筆者通過對直流爐發電機組中FAC的機理、危害、鐵腐蝕產物遷移、抑制方法等方面的研究，并結合案例進行分析，提出了抑制FAC的方法。

1 FAC機理

1.1 FAC機理及腐蝕產物

FAC主要是碳鋼表面保護性的磁鐵礦層(Fe3O4)在單相流動的水(如高壓加熱器水側)或兩相濕蒸汽(如高壓加熱器疏水管道)中“腐蝕溶解”的過程。直流爐發電機組的水汽系統腐蝕是金屬表面腐蝕產物不斷生成、沉積和在水汽中溶解的過程。在多數運行工況中，金屬表面腐蝕產物的生成和溶解速率相同，金屬表面沉積有一定厚度的腐蝕產物，腐蝕產物的存在對金屬本體有保護作用。采用全揮發處理(AVT)的直流爐發電機組凝結水系統及給水系統的腐蝕產物溶解進入水汽中的速度比金屬表面腐蝕產物生成速度快，金屬表面腐蝕產物沉積層很薄，腐蝕產物沉積層不足以對金屬本體進行有效保護。在發生嚴重FAC的金屬表面甚至會裸露出有光澤的金屬本體，FAC會使金屬基體迅速減薄，在發生嚴重FAC時，每年管壁減薄高達3 mm[1]。

1.2 影響因素

FAC的發生受多種因素的影響，主要包括系統金屬材質、水汽系統流體動力、機組參數及給水處理方式等。

金屬材料中Cr、Cu、Mo[2]等元素生成的腐蝕產物溶解度低，這些溶解度低的腐蝕產物沉積在Fe3O4層孔隙中，提高了Fe3O4層的致密性與完整性，對FAC的抑制作用明顯。

流速很大程度上影響FAC的快慢，這不是簡單取決于整體流速，也受局部速度的影響，如表面幾何形狀、流道幾何形狀和湍流程度[1]。異形區域影響了傳質，導致湍流的形成，在湍流區域易引起FAC發生。

直流爐發電機組給水溫度高，一方面降低了水的黏度，減薄了滯流層，Fe2+更容易穿過氧化膜進入水中，使傳質速度提高；另一方面，Fe-H2O體系的能量升高，使得碳鋼的腐蝕更容易達到反應所需的活化能，腐蝕速度加快[3]。由于近年來裝機容量的增長速率大于用電量的增長速率，造成現有燃煤機組普遍處于較低負荷狀態下運行，600 MW超臨界直流發電機組最近一個大修周期內負荷在75%汽輪機熱耗驗收(THA)負荷左右。當600 MW超臨界直流發電機組在75%THA負荷時，給水系統高壓加熱器進出口溫度在150～300 ℃[4]，低于100%THA負荷時的180～310 ℃，處在易發生FAC的溫度區間。另外，由于長期低負荷運行、非正常運行等，顯著增加了管道中及給水加熱器中產生FAC破壞的可能性[5]。

1.3 易發生位置

受多種因素的影響，在直流爐發電機組中常發生FAC的系統主要有低壓加熱器水室及疏水管道、除氧器、高壓加熱器水室及疏水管道。高低壓加熱器水室和除氧器屬于大修化學檢查項目，電廠人員易于掌握其腐蝕情況。疏水管道等不屬于大修化學檢查項目，且不易進行內部檢查，存在較大泄漏風險。

2 FAC的危害

在直流爐發電機組爐前系統中，高低壓加熱器、給水管道、疏水管道等的材質主要為碳鋼或低合金鋼。凝結水經過除氧器熱力除氧后進入給水系統，進行AVT時，由于給水中的溶解氧質量濃度正常情況下小于3.0 μg/L，給水系統處于還原性或弱氧化性環境中，金屬本體表面產生的保護層疏松，易導致FAC。

高壓加熱器水室內部情況為機組大修化學檢查項目，通過對7臺機組的大修化學檢查發現FAC最易發生在給水系統高壓加熱器水室內壁及隔板位置。7臺機組的高壓加熱器大修化學檢查情況見表1，AVT(O)為弱氧化性全揮發處理，OT為加氧處理。

表1 不同機組高壓加熱器腐蝕情況

從降低爐前系統的腐蝕及保護人員健康的方面考慮，直流爐發電機組普遍在正式投產后或基建調試階段采用AVT(O)。從以上5臺采用AVT(O)的機組大修化學檢查可以發現高壓加熱器水室存在FAC問題。在部分高壓加熱器水室內部結構異形區域出現FAC形成的溝槽，水室隔板由于長時間的腐蝕引起穿孔泄漏等情況見圖1。而采用OT的機組在高壓加熱器水室大修檢查中未發現FAC發生。

圖1 高壓加熱器水室隔板穿孔泄漏

3 鐵腐蝕產物的遷移及影響

3.1 鐵腐蝕產物的遷移

當發生FAC時，爐前系統金屬本體的鐵基質丟失，腐蝕產物隨著水汽的流動遷移到省煤器、水冷壁，隨著水汽參數及熱負荷的變化，鐵腐蝕產物引起結垢、積鹽，對機組運行造成不利影響。核電機組蒸汽發生器中的沉積物主要為鐵腐蝕產物，其質量分數達90%以上，主要以磁鐵礦(Fe3O4)形式存在[6]。在某垂直管圈直流爐發電機組中水冷壁節流孔板上沉積物主要成分為Fe3O4，其質量分數達95.6%[7]，而省煤器及水冷壁90%沉積物來自高低壓加熱器等爐前系統的腐蝕產物。直流爐發電機組凝結水通過給水泵加壓后進入高壓加熱器，給水參數遠高于亞臨界機組，Fe3O4的溶解度及鐵腐蝕產物的擴散速率較大，進而進入水汽系統。

3.2 鐵的腐蝕、遷移及沉積影響

3.2.1 鐵的腐蝕、遷移

在局部流速變化和湍流的形成部位易發生FAC，包括彎頭、三通管道、調節閥下游等部位的金屬基質會迅速減薄，最終可能在薄弱部位發生突然泄漏。

鐵腐蝕產物通過過熱蒸汽、再熱蒸汽及疏水等攜帶進入凝結水中，凝結水通過凝結水泵的提升進入凝結水精處理系統，過高的鐵含量會對精處理樹脂造成污染。樹脂鐵污染會增加樹脂再生難度，降低樹脂的交換容量、使用壽命和凝結水精處理混床周期制水量。

3.2.2 鐵腐蝕產物沉積

在垂直管圈水冷壁直流機組中腐蝕產物易在節流孔圈處沉積，造成通流面積減小，引起水冷壁管過熱甚至爆管。腐蝕產物在鍋爐受熱面結垢會影響受熱面傳熱效率，造成鍋爐流程壓差上升快及縮短鍋爐本體化學清洗周期。過熱蒸汽及再熱蒸汽攜帶的腐蝕產物在汽輪機高低壓缸結垢，積鹽速率高會降低汽輪機出力，影響機組經濟、安全運行。

3.2.3 某機組水汽中鐵的遷移沉積情況

對存在FAC的某600 MW超臨界直流爐發電機組A的凝結水(精處理裝置出口)、給水、過熱蒸汽的鐵質量濃度每周進行跟蹤檢測，取檢測結果的月平均值進行比較，結果見圖2。

圖2 機組A鐵質量濃度比較

由圖2可以看出：在跟蹤檢測周期內，凝結水中的鐵質量濃度均低于給水中的鐵質量濃度，說明高低壓加熱器等爐前系統發生了腐蝕，腐蝕產物的遷移增加了給水中的鐵質量濃度；在87.5%檢測周期，過熱蒸汽中鐵質量濃度低于給水中的鐵質量濃度，在12.5%檢測周期，過熱蒸汽中鐵質量濃度與給水的鐵質量濃度相同或稍高，說明給水中攜帶的鐵腐蝕產物在鍋爐省煤器和水冷壁上發生了沉積。在大修化學檢查中發現省煤器管段結垢量遠大于水冷壁管道結垢量，沉積過程主要發生在省煤器。

4 抑制FAC的方法

為有效抑制FAC，保證設備的安全、經濟運行，應避免爐前系統FAC發生，筆者認為可以從設計選材和運行方面(包括調節pH、采用AVT(O)或OT)進行控制。

4.1 設計選材

高壓加熱器正常疏水采用逐級串聯方式，最后一級高壓加熱器疏水進入除氧器。除正常疏水外，各加熱器還單獨設有至凝汽器疏水擴容器的危急疏水管路。當高壓加熱器疏水流經疏水調節閥時，在閥芯節流的影響下，部分疏水在閥后汽化，造成兩相濕蒸汽，高速流動的兩相濕蒸汽會引起管道發生FAC和管道的振動。研究表明，當材料中的Cr質量分數超過1.25%時[8]，FAC會得到有效抑制。為抑制FAC的發生，在設計階段可對易發生FAC的設備及管道選用合金鋼，比如存在汽液兩相流的高加疏水管道(包括正常及危急疏水管道)。但由于經濟性的限制，合金鋼在現役機組爐前系統中的使用范圍有限。在爐前疏水系統設計中，合金鋼的使用一般與減少調節閥門后管道長度、增加管道壁厚及直徑、疏水調節閥后第一個彎頭以三通代替等方法同時采用來降低兩相濕蒸汽的影響。

4.2 運行控制

4.2.1 AVT(O)

由于水汽品質較差及運行人員操作習慣等原因，直流爐發電機組在投產初期一般采用還原性全揮發處理(AVT(R))。為了抑制FAC發生，部分機組轉而采用AVT(O)，并提高了水汽處理的pH(標準要求pH為9.2～9.6，實際運行控制pH為9.4～9.6)。但通過機組投產后檢查性大修發現，鍋爐受熱面的沉積速率依舊偏高，部分機組高壓加熱器水室存在明顯FAC。

4.2.2 OT

在還原性及弱氧化性水中， Fe3O4是爐前系統材料表面形成的主要腐蝕產物。根據研究表明，疏松多孔的Fe3O4保護膜對金屬本體的保護能力有限，而且Fe3O4在給水系統參數下有較高溶解度，所以造成鐵腐蝕產物的遷移活動較強。要降低給水系統鐵腐蝕產物的遷移，最重要的是降低給水中鐵含量，給水進行OT能夠有效降低給水中鐵含量。通過給水OT使得給水處于氧化環境可以促進Fe2O3的水合物(FeOOH)的形成，增強給水系統材料表面保護膜的防護能力進而減輕FAC發生。通過凝結水及給水OT，使材質表面生成致密的氧化膜，可以從根本上防止FAC發生。

4.2.3 AVT(O)與OT的比較

表1中的機組A、B為同時期投產的600 MW直流爐發電機組，機組A水汽系統采用AVT(O)，機組B為垂直管圈直流爐發電機組，在投產初期采用AVT(O)，存在鍋爐水冷壁節流孔圈結垢導致受熱面過熱爆管，為防止水冷壁過熱爆管采用低氧OT。機組B在凝結水精處理設備出口母管和除氧器下水管設有加氧點，一般情況下只采用凝結水精處理設備出口母管加氧點，控制省煤器入口給水溶解氧質量濃度在10～30 μg/L，極端情況下不允許超過50 μg/L。對機組A、B的給水及過熱蒸汽的鐵質量濃度每周進行跟蹤檢測，取檢測結果的月平均值進行比較，24個月平均值見圖3、圖4。

圖3 機組A、B給水中的鐵質量濃度對比

圖4 機組A、B過熱蒸汽中的鐵質量濃度對比

通過圖3、圖4可以發現：采用OT的給水及過熱蒸汽中的鐵質量濃度均低于采用AVT(O)的鐵質量濃度，說明在采用OT對爐前系統FAC及腐蝕產物的遷移有良好的抑制作用。原因是直流爐發電機組中大部分的腐蝕產物來自于爐前系統，在OT下爐前系統材料表面保護膜發育良好，FAC被明顯抑制，鐵腐蝕產物的生成物減少，腐蝕產物的遷移減少。

在采用OT的機組中，隨著給水攜帶的鐵腐蝕產物的減少，省煤器、水冷壁結垢量降低，過熱蒸汽中鐵質量濃度也隨之降低。通過大修化學檢查發現，采用AVT(O)的機組高壓加熱器水室存在不同程度的FAC，采用OT的機組高壓加熱器水室未發現FAC。對采用AVT(O)的機組省煤器、水冷壁的結垢量評價時一般為二類，而對采用OT的機組對省煤器、水冷壁的結垢量評價一般為一類。

5 結語

FAC發生會造成設備或管道本體材料迅速流失，腐蝕產物進入水汽系統主要在鍋爐省煤器、水冷壁等熱負荷高的部位沉積，進而降低了這些部位的傳熱效率，增加了水汽流程阻力和受熱面過熱爆管風險，縮短了化學清洗間隔時間及精處理運行周期，危害機組的安全、可靠、經濟運行。

為抑制或防止FAC發生，在設計階段可選用抗FAC的材料，但實際上由于設備加工難度、材料費用及施工周期等因素，這些材料在易發生FAC部位使用有限。在正常運行階段，電廠一般會采取停止加入聯氨、適當提高水汽pH等方式對FAC進行抑制，但實際效果有限。通過運行情況看，采用給水OT可以有效防止FAC的發生，減少機組水汽中的鐵含量，從而降低鍋爐、汽輪機結垢速率，增加精處理系統的周期制水量。