防止超超臨界機組鍋爐受熱面高溫腐蝕試驗情況

吳開念

（國家電投集團貴州金元綏陽產業有限公司，貴州綏陽 563305）

1 概述

某發電廠準備建設兩臺1000MW 超超臨界火力發電機組，由于設計煤種平均硫份在3.8%以上，按照常規設計，初蒸汽參數只能按照570℃進行設計，這勢必會嚴重影響機組的經濟性，通過與設計院及有關專家開展技術論證，如果需要設計為超超臨界機組，必須采取措施將煤質硫份降低至1.5%，否則會導致鍋爐受熱面出現嚴重的高溫硫腐蝕。為此，籌備處尋找有資質的單位開展燃煤洗選可行性報告編制，通過對提供的煤質進行試驗，結論為目前國內普遍采用的原煤洗選技術，最多可以將試驗煤樣的硫份降低至2.0%，仍然不能滿足設計超超臨界機組的要求。因此，在燃煤洗選的基礎上，籌備處決定對鍋爐受熱面采取高溫噴涂方式進行防護，通過大量調研，當時國內火力發電大容量高參數鍋爐采用噴涂防磨的業績較多，類似工程采用高溫腐蝕防護的業績較少，沒有成功的經驗，于是在調研的基礎上，委托西安熱工研究院對本工程燃用煤質做防腐論證試驗并編制了試驗報告，聘請國內材料研究比較權威的專家、設計院相關專家、部分高溫噴涂廠家對報告進行評審，評審結論為：采用超音速火焰噴涂技術制備的Ni-Cr 金屬陶瓷涂層對燃用含硫量約2%～4%的發電廠超超臨界鍋爐高溫受熱面進行高溫腐蝕預防護的方案是可行的。但該報告畢竟只是實驗室做出的結果，為了進一步驗證該結論，籌備處制定了開展現場模擬試驗的方案。

2 試驗方案

試片準備：委托西安熱工研究院根據報告選用的工藝和材料，提供了10 件試樣，其中片狀試樣8 件，基材為碳鋼；管狀試樣2 件，基材為低合金耐熱鋼。噴涂涂層材質Ni-Cr 陶瓷合金，涂層厚度0.4～0.5mm。試樣類型如下：

（1）片狀 3 片，尺寸 45×60×5mm，未噴涂。

（2）片狀 5 片，尺寸 45×60×5.5mm，已噴涂。

（3）管狀 1 件，尺寸 φ62×100mm，未噴涂。

（4）管狀 1 件，尺寸 φ62×200mm，已噴涂。

現場模擬試驗條件：在籌備處收集大量資料和調研中了解到，由于水冷壁、過熱器、再熱器等受熱面管壁在運行中積結的復合硫酸鹽，在高溫下（550～710℃）下形成液態復合硫酸鹽對管壁金屬具有腐蝕作用，特別是在650～700℃時最為嚴重，該溫度范圍正好是超超臨界機組正常運行時的管壁溫度。通過實地調研省內某火力電廠的1 號機組，容量為200MW，鍋爐由東方鍋爐廠制造。燃用煤質硫份2.6%，灰分42.28%，揮發分16.52%。查歷史煙氣溫度區域范圍，200MW 負荷時高再凝渣管處煙氣溫度650～690℃；160MW 負荷高再凝渣管處煙氣溫度 550～609℃；150MW 負荷高再凝渣管處煙氣溫度570～600℃。平均80%以上負荷高再凝渣管處煙氣溫度能夠達到600～700℃。所以該火力發電廠高溫再熱器出口凝渣管處符合試片試驗環境，決定將試片安裝在A 側高再出口凝渣管處。

試驗時間：一年。

3 試驗情況

3.1 試驗掛片安裝在試驗鍋爐的試驗絕對時間

試片于2010 年11 月利用該電廠1 號爐大修期間掛設在鍋爐高溫再熱器（凝渣管）處，自2010 年12 月25 日大修后投運到2012 年2 月3 日停機，已經運行13 個月時間（在這期間，該廠1號機組運行125d 后，于2011 年5 月1 日停機，對試片情況做個一次檢查），這段時間內除機組各種原因停運以外，機組負荷均在105MW 以上運行。2011 年全年1 號爐連續運行時間為7462h，從該廠1 號爐起停時間記錄表1 可以看出，在2011 年1號爐共有45d 時間停機未運行，除掉這些停機時間，加上2010 年12 月25 日至12 月31 日的運行時間和2011 年1 月份的運行時間，試片在爐內的實際運行時間已經超過8000h，如表1 所示。

3.2 試驗鍋爐的煙溫曲線圖

機組負荷為200MW 左右時，高溫再熱器后的煙氣溫度700℃以上，機組負荷為150MW 左右時，高溫再熱器后的煙氣溫度在650℃左右，機組負荷為105MW 左右時，高溫再熱器后的煙氣溫度在580℃以上。從該廠運行人員了解到，該廠2010 年大修后，全年1 號爐在150MW 以上負荷占較大比例，最低運行負荷在105MW。由此可以判斷，試片在該廠1 號爐內650℃以上煙氣溫度的運行時間占較大比例，符合當初安裝條件要求在600～700℃的煙氣溫度范圍。

表1 1 號爐起停時間記錄

3.3 試片爐內抗氧化腐蝕情況

通過爐內觀察，未經噴涂的試片出現嚴重的氧化皮剝落現象，試片表面發生嚴重的腐蝕。經過噴涂的試片涂層基本完好，除其中一塊出現一點點脫皮以外（稍后分析），大部分涂層基本上未出現起皮、脫落現象。因長時間在爐內高溫環境下，這次檢查發現試片發生迎煙氣方向彎曲現象，但彎曲的試片涂層完好，未因彎曲變形而出現涂層脫落，這也證明涂層材質在這一段時間內起到保護母材的良好效果。

在這次檢查中發現有一個試片上邊緣出現一點點脫皮現象，但試片其他位置涂層完好。

經過比較，這一位置出現脫皮的原因是該試片上邊緣在制作涂層時的夾持位置涂層薄弱，在長時間的高溫煙氣環境中，母材受到氧化、腐蝕等，使涂層起皮向外膨脹。

現將試片運行前后的對比照列于下面，見下組圖1、2 所示，可以看出，試片經過8000h 運行后，涂層基本上依然完好，起到保護母材的良好效果，未經噴涂的試片在經過4 個月的運行時間就出現表面脫層、氧化、腐蝕的現象，證明在含硫分較高的高溫煙氣環境中，受熱面管除選擇耐高溫腐蝕較好的材料外，對受熱面管外壁做防磨防腐噴涂處理是非常必要的。

組圖1 試片一，未經噴涂涂層的原始安裝圖片。

同一試片運行13 個月后圖片。

組圖2 試片二，經噴涂涂層的原始安裝圖片。

同一試片運行13 個月后的圖片。

4 結論

未經噴涂的試片在4 個月后（約2800h）就出現高溫氧化、腐蝕、起皮現象，基材在長時間的高溫煙氣環境中已經出現的嚴重的損傷。經完整噴涂的試片在相似環境通過8000h 運行后，涂層依然完好，未出現磨損、腐蝕、氧化、起皮現象，起到保護母材的良好效果。因此，采用超音速火焰噴涂技術制備的Ni-Cr 金屬陶瓷涂層對燃用含硫量較高的火力發電廠超超臨界鍋爐高溫受熱面進行高溫腐蝕能起到較好的防護作用。