火電機組鍋爐爐管沉積物類型及防止爆管措施

王威

摘?要：分析了鍋爐爐管內沉積物的形成原因、類型、危害、主要特征以及減少和防止鍋爐受熱面產生沉積物和鍋爐爆管的措施方法，做好技術監督工作，保證機組的正常運行。

關鍵詞：鍋爐爐管；沉積物；防止爆管措施

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.24.079

鍋爐爐管內沉積物的形成與爐管過熱、爐管過負荷以及汽水品質不良、發生水汽相變、工質擾動和爐管管材表面有缺陷等多種因素有關。由于鍋爐爐管產生沉積物增加了熱阻，不僅增加排煙溫度，使煤耗升高，降低鍋爐效率，還會造成有沉積物的部分爐管金屬超溫，甚至發生鍋爐爆管事故。因此，應對爐管內沉積物的產生以及造成危害要進行充分認識并采取相應措施，對出現沉積物的爐管進行必要的檢查和處理，減少或避免機組的非停事故。

1?鍋爐爐管內沉積物的形成原因、類型

鍋爐爐管內沉積物主要有以下幾種：

（1）氧腐蝕沉積物；

（2）鈣鎂和硅酸鹽沉積物；

（3）磷酸鹽沉積物；

（4）水汽系統中鐵氧化物沉積物；

（5）高溫鐵氧化物沉積物；

（6）鍋爐爐管內表面凹凸不平累積的沉積物；

（7）彎管段水汽沖刷形成的沉積物；

（8）更換的爐管內積存的沉積物。

其中1～5種，是爐管腐蝕或水汽中產生的，6～8種是由于爐管內工質擾動或管子存在原始問題形成的。

1.1?氧腐蝕沉積物

氧腐蝕沉積物的特征是腐蝕產物堆積鼓包。鼓包的直徑從1毫米到20毫米甚至30毫米不等，也稱為潰瘍腐蝕。鼓包表面的顏色呈黃褐色、磚紅色或黑褐色，次層是黑色粉末狀物質。沉積物表面的顏色不同是因為腐蝕產物由不同的中間化合物或晶態不同的物質組成。將這些腐蝕產物除去之后，可看到一些大小不一的腐蝕坑。如果鍋爐采用“熱爐放水、?余熱烘干”保護方法，幾個月后受熱面管內壁就會產生較明顯的氧腐蝕形態，長時間停爐受熱面管內壁就會產生較深的氧腐蝕坑。氧腐蝕形成的腐蝕沉積物，不進行清理或化學清洗則不會完全脫離或消失。在鍋爐運行過程中由于爐管溫度、溶解氧含量的變化，氧腐蝕形成的腐蝕沉積物會逐步轉化成致密的氧化鐵沉積層。

1.2?鈣鎂和硅酸鹽沉積物

如果爐水有硬度或是爐水中二氧化硅含量較大時，會在爐管內壁表面形成水垢。當蒸汽中鐵、鋁、鈉、硅含量較大時，易在爐管內壁表面和汽輪機高壓通流表面形成難溶的鋁鈉硅氧化物（如：方沸石（Na2O·Al2O3·4SiO2）和硅酸鹽水垢。

水垢的導熱系數比鋼材低幾十到幾百倍。如果爐管內壁積水垢較厚，爐管壁溫會明顯升高，不僅降低鍋爐效率，還會造成有沉積物的爐管金屬超溫，甚至發生鍋爐爆管事故。

1.3?磷酸鹽沉積物

產生“磷酸鹽隱藏”的原因之一是在水冷壁管存在超溫、湍流沖刷和有沉積物分布的管段時，近壁層爐水會劇烈蒸發使爐水中的磷酸鈉鹽被濃縮到其飽和濃度，在爐管內壁表面結晶析出磷酸鈉鹽的固相沉積物。“磷酸鹽隱藏”的出現使水冷壁管內近壁層爐水中產生游離NaOH，可能引起爐管金屬的堿性腐蝕。磷酸鹽隱藏的特征是：在負荷增加時，爐水中的磷酸鹽濃度降低，pH值增加；負荷降低時，爐水中磷酸鹽含量增加，pH值降低。原因之二是析出沉積的酸性磷酸鹽

Na2.85H0.15PO4、Na2HPO4和NaH2PO4的混合物與爐管內壁上的Fe3O4膜發生反應，在金屬表面上生成鈉鐵復合磷酸鹽NaFePO4固相附著物。此時“磷酸鹽隱藏”引起爐管的酸性腐蝕。酸性磷酸鹽腐蝕與堿性腐蝕產物有兩個明顯區別的層，外層呈黑色，內層呈透明的灰色，主要是NaFePO4。?腐蝕產物中存在NaFePO4是酸性磷酸鹽腐蝕的一個關鍵特征。?近十余年隱藏以來，汽包鍋爐爐水處理多已采用低磷酸鹽等處理工藝，基本消除了嚴重的磷酸鹽問題。但部分機組由于凝汽器、熱網換熱器發生泄漏以及停備用啟動時系統沖洗不合格，為了控制爐水參數和避免爐管沉積鈣鎂垢，在短時間內加入濃度較高的磷酸鹽時，會產生“磷酸鹽隱藏”問題。

1.4?鐵氧化物沉積物

水汽中氧化鐵在爐管表面主要沉積在熱負荷高的爐管管壁上，如燃燒器附近、偏燒、水動力不足、工質擾動流向后管段以及結焦或落焦接觸的爐管等處。高參數和大容量鍋爐當水汽鐵含量達到標準值時也會產生氧化鐵垢。?超臨界機組的給水和蒸汽的鐵含量標準值和期望值分別是小于等于5μg/L和3μg/L。亞臨界機組的給水和蒸汽的鐵含量標準值和期望值分別是小于等于10?μg/L和5μg/L。研究表明，當爐管的局部熱負荷達到350000W/m2時，爐水含鐵量只要超過10?μg/L，就會產生氧化鐵沉積。

機組實際運行表明，蒸汽中鐵含量達到期望值，?才可以基本避免在汽輪機通流表面產生氧化鐵沉積垢層，鍋爐達到10年不需要進行化學清洗的水平。結垢量大的主要原因是未實施給水加氧處理工藝。

1.5?高溫氧化鐵沉積物

當水、蒸汽溫度超過450℃時，水汽可與碳鋼、鉻鎳合金鋼中的鐵發生化學反應（3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2），這種化學腐蝕稱為汽水腐蝕。生成以Fe3O4為主要成分的多孔疏松的沉積物。汽水腐蝕的程度與金屬管材的耐高溫水汽氧化的性能有關。當機組實施給水加氧工藝后，Fe3O4氧化為Fe2O3，在金屬表面形成密實的氧化鐵，連續且致密與金屬緊密結合氧化膜對抑制金屬管材的高溫水汽和氧腐蝕具有一定的作用。

防止汽水腐蝕的主要措施就是防止爐管金屬過熱。如：消除局部水動力不足、偏燒、原始管段表面狀況不良等問題，其次是選用合適的耐熱鋼等方法。

1.6?爐管內表面凹凸不平造成的氧化鐵沉積物

當雷諾數小于臨界值時，一定條件下的水汽在比較光潔的平直、平滑（半徑滿足一定流速下要求）的直管和彎管中以層流狀態流動，但是當爐管內表面存在高出或低于管內表面的焊縫（類似流量孔板、節流、減壓孔板）、對接相同直徑管段但不同心、異經管段對接未倒角、局部堆積腐蝕產物等情況時，在這些部位工質流向的后部管段會出現旋流、汽液兩相、膜態蒸發區域，隨著遠離產生節流效應的部位，爐水逐步恢復層流狀態。

爐管內表面凹凸不平造成的氧化鐵沉積物一般是致密的、較厚的垢層，形成了垢下濃縮腐蝕環境。如果爐水和蒸汽質量不高或某一階段超標劣化，可能短時間內在垢下形成鹽類濃縮和腐蝕，造成穿孔、氫脆等破壞。

1.7?彎管段水汽沖刷形成的沉積物

鍋爐受熱面中人孔、看火孔等有許多彎管管段，易產生沖刷腐蝕。如果彎管曲率不當，在彎管出口段內側會出現紊流沖刷較強烈點位，產生FAC（流動加速腐蝕），造成彎管內側局部減薄較嚴重甚至穿孔情況，其沖刷腐蝕產物沉積在沖刷部位后的管段上形成了垢層。

1.8??因原始爐管問題形成的沉積物

如果準備更換的爐管內表面有銹蝕、沙土等附著物，應進行徹底清理。如果清理不徹底，鍋爐運行后成為腐蝕和結垢部位。沙土溶解，增大水汽中鈣、鎂、鈉、鋁、硅等雜質沙含量。如果爐管已存在明顯的腐蝕坑點，這些腐蝕坑點容易成為腐蝕陽極點和積存溶解鹽類，進一步發生腐蝕。

2?減少和防止鍋爐受熱面沉積物以及爆管的措施

在機組啟停、運行過程中要做好減少和防止鍋爐受熱面產生沉積物以及鍋爐爆管的措施，以降低鍋爐爆管的風險，保證機組正常穩定安全運行。

2.1?保證機組給水、爐水水質滿足達標或更好要求

安裝并投用凝汽器檢漏裝置，同時檢測高低背壓側凝汽器水樣。各熱網加熱器在疏水側設置氫電導率在線儀表。電導率信號接到值班室并設置聲光報警。根據過濾器除鐵效率和出水質量做好擦洗操作。高速混床應100%氫型運行，出水質量滿足GB/T?12145—2016《火力發電廠及蒸汽動力設備水汽質量》的期望值。?優化機組水汽處理工藝，具備加氧條件應實施給水加氧處理工藝。汽包鍋爐濕冷機組宜實施低磷酸鹽或氫氧化鈉處理工藝，空冷機組熱網換熱器基本不泄漏條件下宜實施全揮發處理。

2.2?提高機組停運保養效果

目前比較有效的機組常用的中長期停用保護方法有：（1）氨水堿化烘干加抽真空法；（2）充氮法；（3）熱風吹干法；（4）成膜法。

停用保護的目的是：（1）使機組熱力系統管道和設備內的濕度低于60%；（2）避免空氣進入熱力系統。有效的停用保護效果可以避免機組停用期間氧腐蝕的發生、基本消除爐管沉積物中濃縮雜質鹽類水解的電化學腐蝕。經驗表明，較好執行氨水堿化烘干加抽真空法的機組，可以在12?h內實現機組帶負荷，在帶負荷8?h內機組各項水汽指標滿足標準規定。熱力系統凈化沖洗用水量在800?t以內，冷熱態沖洗排水鐵含量不大于500?μg/L。

2.3?嚴格執行機組啟動熱力系統凈化措施和指標

最有效的熱力系統凈化方法是凝汽器、除氧器、鍋爐整體放水，啟動前進行人工清掃。除氧器加熱蒸汽在除氧器上水后便可以投用。利用廠用蒸汽加熱系統進行鍋爐熱態沖洗，可以實現不用點火實現鍋爐的熱態沖洗要求，還可以提高爐膛溫度，避免冷爐點火冒黑煙。

熱力系統的冷、熱態沖洗要做到熱力系統逐級進行，前級系統沖洗不合格，不能進入下一級。給水、爐水水質不合格時鍋爐不能升參數，蒸汽參數不合格時不能沖轉。計算機組啟動過程中熱力系統凈化時冷、熱態沖洗用水量、?沖洗水鐵含量的高低、滿足標準的時間以及帶負荷后水汽指標滿足運行標準的時間，對機組停用保護效果進行評價、總結和改進。

2.4?鍋爐更換爐管時的檢查和處理

備用管段要端口密封，定期檢查，防止空氣進入出現結露現象。安裝前對封口缺失的管子用儀用壓縮空氣吹掃，鍋爐換管垢量超過35?g/m2時應采取化學清洗方法除掉銹蝕產物。換管數量達到爐管數量的30%且垢量超過40?g/m2時，宜整爐進行化學清洗。

2.5?鍋爐改造時的注意事項

鍋爐增加受熱面、延長或縮短管排、形成新的爐墻孔洞時應系統性考慮鍋爐水動力、彎管曲度，并考慮運行時受熱面熱負荷的情況。選用不易產生沖刷腐蝕的材料或選用壁厚管段用于彎管沖刷部位。

2.6?靈活性和深度調峰機組的注意事項

監測靈活性調峰、深度調峰過程中鍋爐熱負荷分布情況，及時發現爐管壁溫較高的管段，注意檢查燃燒器、爐墻固定鋼架等有外部焊接件的爐管運行溫度，這些管段由于部位和空間限制，可能存在焊接影響不良區域，造成金屬材料性能降低，在正常運行溫度下也會形成高溫氧化沉積物而出現超溫現象。這些部位因有固定點或外掛設備，存在拉應力或在負荷高低變化時的交變應力，容易發生應力腐蝕開裂或腐蝕疲勞問題。

2.7?機組檢修重點檢查部位

加強高熱負荷、超溫、結焦、有外部焊點、彎管處有焊縫等部位爐管的檢查，加強鍋爐改造后爐管的檢查。及時更換存在問題的管段。鍋爐水冷壁割管檢查垢量大于等于DL/T794《火力發電廠鍋爐化學清洗導則》規定時，應安排進行化學清洗。對于運行時間超過50000小時的鍋爐，應結合割管垢量數據、金屬材料性能確定是否進行化學清洗。靈活性、深度調峰的機組，垢量未達到清洗規定，但年限超出規定年限，建議安排化學清洗，消除沉積物帶來的安全隱患。

2.8?做好技術監督和問題整改工作

按照鍋爐、化學等專業技術監督導則的規定，制定技術監督的臺賬種類和格式。將機組調試、運行、啟動過程中的水汽、爐管壁溫、停用保護、檢修檢查垢量、重點部位檢查信息、技術改造等數據和信息填寫在臺賬中。歷史數據是技術、經濟和事故分析的基礎，應將各種數據臺賬按照工作職責分配到相應崗位人員，確保技術監督數據和信息的可靠性、完整性和連貫性。

3?結束語

鍋爐爐管沉積物的形成有熱負荷、水汽品質、水汽相變、流體擾動和管材狀態不佳等多種影響因素。沉積物會造成爐管過熱、鹽類濃縮和垢下腐蝕，嚴重時導致爐管泄漏甚至爆管。根據機組啟停及運行時的監測數據和事故經驗，主動采取檢查、檢測和合理的處理措施，是減少鍋爐受熱面產生沉積物和降低爆管風險的有效方法。

參考文獻

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