管式空氣預熱器漏風原因分析及改進措施

李學東

(東方電氣集團國際合作有限公司，成都 611731)

某海外300 MW燃煤機組采用亞臨界循環流化床鍋爐，燃料為褐煤。機組于2016年8月。機組在運行2 a后，發現空氣預熱器(簡稱空預器)出現較大漏風。筆者通過化學成分分析和微觀金相組織分析等方法，探明了空預器漏風原因，并提出了改進措施。

1 空預器運行概況

該機組不設脫硝系統。在后豎井煙道配置管式空預器，分別加熱一次風和二次風。空預器采用臥式順列布置，沿空氣流向有四個加熱回程，從下到上分別為一級至四級。一級管箱下部10排采用SA-213 TP316L不銹鋼管，其他部位采用Q355GNH鋼管；二、三、四級管箱采用Q215-A和20碳鋼管。

機組在運行2 a后，空預器一級管箱中上部管道出現較大面積損壞。現場分別對一次和二次風管各取樣2根，一次風管標識為1號和2號樣管，二次風管標識為3號和4號樣管，并進行宏觀形貌分析，結果見圖1。

圖1 樣管宏觀形貌

由圖1可以看出：1號樣管相對完好，沒有較明顯的壁厚減薄，其余3根(2號、3號、4號)樣管均有不同程度的減薄，局部已穿透。4根樣管表面均呈暗紅色，并存在銹蝕物，易脫落。從4號樣管還可以看出，樣管表面有磨損的痕跡，從樣管的安裝位置可以判定是煙氣中的飛灰磨損造成的。總體而言，從樣管的宏觀形貌可以判斷表面存在腐蝕[1-2]。

2 空預器漏風原因分析

4根樣管的材質均為Q355GNH(高耐候鋼)，管子直徑為 45 mm、壁厚為2 mm，并在實驗室進行了化學成分及金相等分析。

2.1 化學成分分析

在4根樣管端部，采用直讀光譜儀對樣管化學成分進行檢測，結果見表1。從表1可以看出，4根樣管均滿足GB/T 4171—2008 《耐候結構鋼》。

表1 化學成分分析 %

2.2 微觀金相分析

對4根樣管做環狀取樣，利用倒置金相顯微鏡對環狀樣管進行了微觀金相形貌分析，結果見圖2～圖5。

圖2 1號樣管外壁腐蝕及組織

圖3 2號樣管外壁腐蝕及組織

圖4 3號樣管外壁腐蝕及組織

圖5 4號樣管外壁腐蝕及組織

從圖2～圖5可以看出，4根樣管基體組織均為鐵素體和珠光體，屬于正常組織。

2.3 掃描電子顯微鏡/能譜儀(SEM/EDS)分析

4根樣管表面均有不同程度的凹坑，并存留有附著物。利用JSM-6610 SEM及NSS SYSTEM7 EDS分析樣管表面附著物，檢測結果見圖6～圖9。圖中對應位置的EDS分析結果見表2。

圖6 1號樣管表面附著物EDS分析圖

圖7 2號樣管表面附著物EDS分析圖

圖8 3號樣管表面附著物EDS分析圖

圖9 4號樣管表面附著物EDS分析圖

表2 樣管EDS分析結果 %

由表2可以看出，4根樣管表面附著物主要含有 Fe和O。

根據表2的測量結果，對4根樣管外壁附著物Fe和O的物質的量比進行計算，結果見表3。

表3 外壁附著物n(Fe)/n(O)

從表3可以看出：4根樣管外壁附著物的n(Fe)/n(O)為0.45～0.61，若外壁附著物僅為Fe3O4和Fe2O3的混合物，則n(Fe)/n(O)應為0.67～0.75[3]，且S的質量分數為1.26%，明顯高于基體(≤0.002%)，可見外壁附著物主要成分除了Fe的氧化物(Fe2O3和Fe3O4)外，還有含S、Fe、O的化合物。近外壁測量中，S和O的含量均非常低，主要為基體材料。

綜上可判斷樣管表面附著物主要為Fe的氧化物及硫酸鹽類物質，樣管外壁的腐蝕與 S 有關，即由低溫腐蝕造成[4-7]。

3 改進措施

3.1 采用耐腐蝕材料

Q355GNH屬于耐腐蝕性能較好的材料，但從實際使用效果和以上分析可以看出，當Q355GNH鋼使用在燃用劣質煤種的電站空預器中，其抗低溫腐蝕性能并不能滿足機組長期穩定運行的要求。

該電廠在后期的改造中，將空預器一級管箱的Q355GNH鋼全部更換成耐腐蝕性能更好的ND鋼[2]，即09CrCuSb合金鋼，使用效果不錯。

需要注意的是，在更換為ND鋼時，建議按管箱一次性全部更換(即使部分Q355GNH鋼尚未損壞)。如果不能一次性全部更換，建議按區域全部更換(即使該區域內部分Q355GNH鋼尚未損壞)，并與相鄰的未更換區域之間堵管2～3排。如果不堵管，或單根管更換，可能會出現相鄰未更換的管道在隨后的運行過程中破損，漏風壓力較大，進而加速煙氣中的飛灰對ND鋼的磨損，運行一段時間后，一樣會造成ND鋼的損壞。該電廠在前期就遇到過這種情況。

該電廠空預器一級管箱下部10排采用SA-213 TP316L不銹鋼管，從目前運行情況來看，未出現因腐蝕或磨損造成的漏風，使用效果優良。因此，為了滿足機組長期穩定運行，建議在設計管式空預器時，推薦一級管箱使用SA-213 TP316L鋼管或其他性能更好的不銹鋼管。

3.2 提高進風溫度

該電廠空預器進口設計有暖風器，用于提高空預器進口風溫。在實際運行過程中，通過提高暖風器蒸汽流量，盡可能提高空預器進口風溫，減小低溫腐蝕風險。由于暖風器前期已選定，在不進行改造的情況下，該方法的調節效果有限。

3.3 提高排煙溫度

防止低溫腐蝕的另一個措施就是提高排煙溫度，使其高于煙氣酸露點[8]。為了維持該電廠滿負荷運行(由于當地電力需求較大，該電廠自投運以來，一直處于滿負荷運行狀態)，提高排煙溫度，該電廠在二次風側空預器左右兩側進口和出口增設了聯絡風道，使部分二次風不經空預器加熱，直接與二次熱風混合后進入爐膛。該聯絡風道內徑為820 mm，風道上設電動擋板，遠程控制。該方案可使排煙溫度升高約10 K，減小低溫腐蝕的風險。

同時需要注意，該方法降低了二次熱風溫度，導致鍋爐效率降低約0.5%。

4 結語

(1)通過對4根樣管的化學成分分析、微觀金相分析及SEM/EDS分析，可以看出空預器一級管箱管道發生了低溫腐蝕。

(2)盡管Q355GNH屬于耐腐蝕性能較好的材料，但當使用在燃用劣質煤種的電站空預器中時，Q355GNH耐腐蝕性能難以滿足機組長期穩定運行的要求。推薦采用ND鋼(09CrCuSb合金鋼)、SA-213 TP316L及其他性能更好的不銹鋼管材。

(3)增加空預器進口暖風器加熱蒸汽流量，提高空預器進口風溫，可降低低溫腐蝕風險。

(4)在二次風側空預器左右兩側進口和出口增設了聯絡風道，通過調節擋板開度，可以使排煙溫度提高10 K，降低低溫腐蝕風險。