燃煤鍋爐水冷壁管高溫腐蝕機(jī)理與防護(hù)

曾其海（廣西特種設(shè)備檢驗研究院防城港分院，廣西 防城港 538000）

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燃煤鍋爐水冷壁管高溫腐蝕機(jī)理與防護(hù)

曾其海（廣西特種設(shè)備檢驗研究院防城港分院，廣西 防城港 538000）

燃煤鍋爐水冷壁管在運行時受工況環(huán)境的影響而發(fā)生高溫蠕變、腐蝕疲勞和飛灰磨損并導(dǎo)致壁厚減薄甚至爆管的情況時有發(fā)生。本文主要論述燃煤鍋爐水冷壁管煙側(cè)的高溫腐蝕類型及討論其腐蝕機(jī)理；并結(jié)合燃煤鍋爐水冷壁管煙側(cè)高溫腐蝕研究現(xiàn)狀提出幾種有效防護(hù)方法。

高溫腐蝕；機(jī)理；防護(hù)；水冷壁；燃煤鍋爐

引言

近年來，由于高溫蠕變、飛灰磨損和腐蝕疲勞等原因引起燃煤鍋爐“四管”失效的事故屢見不鮮。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鍋爐“四管”事故占全部鍋爐事故的2/3左右［1］。而事故原因除材料質(zhì)量控制缺陷外，更多是管子高低溫腐蝕、磨損或氫脆后引起。燃煤鍋爐水冷壁管由于與燃料煤直接接觸，其所處的爐內(nèi)壞境是“四管”中最為復(fù)雜的。因此，燃煤鍋爐水冷壁管煙側(cè)的腐蝕與防護(hù)一直以來都是材料研究者研究的熱點之一［2～4］。

1　高溫腐蝕類型及腐蝕機(jī)理

碳素鋼和碳素合金鋼制成的水冷壁受熱面管從物相上可分為金屬基體層，氧化層，附著層。在整個氧化層中的磁性氧化鐵（Fe3O4）是一層致密和穩(wěn)定的保護(hù)性氧化膜，附著層分為與氧化層形成化學(xué)附著關(guān)系初始積灰層和飛灰沉積層兩類。腐蝕的過程取決于附著層的物理化學(xué)性質(zhì)，而腐蝕類型由致腐物質(zhì)決定［5］。

1.1硫酸鹽型高溫腐蝕

鍋爐運行時，水冷壁首先發(fā)生氧化反應(yīng)，在管壁表面形成Fe2O3氧化層：

Fe+O2→FeO

FeO+O2→Fe2O3

此時，燃料灰中的氧化鈉和氧化鉀與煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸鹽，并沉積在水冷壁管受熱面上：

M2O+SO3→M2SO4

溫度升高時，水冷壁管受熱面上熔融的硫酸鹽（M2SO4）和Fe2O3與煙氣中的三氧化硫化合生成復(fù)合硫酸鹽：

3M2SO4+Fe2O3+3SO3→2M3Fe（SO4）3

或3M2SO4+Fe2O3+3SO3→2MFe（SO4）3

復(fù)合硫酸鹽在水冷壁管面表層受高溫作用分解為硫酸鹽和氧化鐵，但此時的氧化鐵已成為疏松的沉積層，對水冷壁管沒有保護(hù)作用［6］。附著層中熔融硫酸鹽和SO3向金屬基體層內(nèi)擴(kuò)散，與新的氧化鐵反應(yīng)，當(dāng)致腐物質(zhì)源源不斷補(bǔ)充到腐蝕前沿時，腐蝕過程就會持續(xù)進(jìn)行。

1.2硫化物型高溫腐蝕

煤燃燒過程中，黃鐵礦粉末在受熱面管壁上受高溫作用，F(xiàn)eS2發(fā)生分解：

FeS2→FeS+S

分解生成的硫與受熱面管壁金屬Fe反應(yīng)生成FeS：

Fe+S→FeS

此外，燃燒氣氛中少量H2S也會參與反應(yīng)。H2S不但能與金屬Fe直接反應(yīng)生成FeS；還能穿過疏松的氧化鐵層，與較致密的磁性氧化鐵層中復(fù)合的FeO作用：

Fe+H2S→FeS+H2

FeO+H2S→FeS+H2O

H2S與水冷壁管受熱面金屬反應(yīng)生成硫化亞鐵，而硫化亞鐵又可進(jìn)一步氧化成氧化鐵，因此水冷壁管受熱面腐蝕產(chǎn)物中既有硫化亞鐵，也有氧化鐵。由于自身多孔性的原因，這些硫化鐵和氧化鐵對水冷壁管沒能起到保護(hù)膜的作用，因此管壁會繼續(xù)腐蝕。

1.3氯化物型高溫腐蝕

煤燃燒時，燃料中所含的大部分氯化鈉晶體會蒸發(fā)。NaCl在爐膛內(nèi)可能發(fā)生的反應(yīng)如下：

NaCl+H2O→NaOH+HCl

2NaCl+H2O+SO2+1/2O2→NaSO4+2HCl

2NaCl+H2O+SiO2→NaSiO3+2HCl

水冷壁管受熱面的氧化膜遭受HCl的破壞，反應(yīng)生成汽化點很低的氯化亞鐵，氯化亞鐵會馬上揮發(fā)，從而使管壁金屬基體直接暴露給HCl。與此同時，被破壞的氧化膜為H2S直達(dá)金屬表面提供便利，從而加速管壁金屬的腐蝕［7］。

2　水冷壁高溫腐蝕防護(hù)措施

由于工況環(huán)境的惡劣性，水冷壁管高溫腐蝕防護(hù)很難有長效的解決辦法。就目前研究現(xiàn)狀而言，水冷壁管高溫腐蝕的防護(hù)措施主要有以下幾種：

2.1設(shè)計和燃料的要求

合理的設(shè)計是指鍋爐合理的配風(fēng)和強(qiáng)化爐內(nèi)的湍流混合以避免局部出現(xiàn)還原性氣體；控制好燃燒器內(nèi)燃料濃度分布均勻化，以確保燃燒能穩(wěn)定、合理進(jìn)行，從而避免水冷壁管局部結(jié)焦和降低鍋爐燃燒效率?？刂泼悍鄣念w粒度，以防止煤粉顆粒較粗時不易燃盡以及火焰易沖刷爐墻，從而引起高溫腐蝕和飛灰磨損。此外，在定期維護(hù)檢查過程中，對可能會出現(xiàn)爆管的管子應(yīng)進(jìn)行及時更換。

2.2對管壁進(jìn)行熱噴涂防腐防磨

對鍋爐水冷壁管實施熱噴涂防護(hù)，可以有效防止水冷壁管的高溫腐蝕和磨損。表1為常用幾種熱噴涂技術(shù)參數(shù)對比。電弧噴涂和等離子噴涂能形成結(jié)合強(qiáng)度較高、孔隙率較低和氧化物較少金屬涂層。火焰噴涂因溫度和噴涂速度較低，致使其涂層孔隙率較高，氧化物較多，結(jié)合強(qiáng)度較低。近年來，隨著技術(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)展，采用電弧噴涂技術(shù)制備金屬涂層時具有結(jié)合強(qiáng)度高、成本低、安全性高、生產(chǎn)效率高諸多優(yōu)點，因此，電弧噴涂技術(shù)已逐步取代火焰噴涂和等離子噴涂［6］。

鍋爐水冷壁管的工況條件有以下特點：高溫沖蝕磨損、高溫氧化和高溫腐蝕。因此，由電弧噴涂制備的金屬涂層必須具備高結(jié)合強(qiáng)度、低孔隙率和良好耐沖蝕磨損性能，以應(yīng)付惡劣的工況環(huán)境。田保紅等人［8］利用高速電弧噴涂技術(shù)制備的Fe3Al涂層強(qiáng)度為20.4MPa，孔隙率小于2%，低角度下相對沖蝕磨損抗力性能優(yōu)異，且噴涂工藝穩(wěn)定、簡便，可用于制備鍋爐水冷壁管防護(hù)涂層。馬崇等人［9］利用高速電弧噴涂技術(shù)在20號鋼表面制備FeCrAl涂層，研究表明該涂層組織致密，孔隙率僅為1.842%，并具有良好的耐高溫腐蝕和耐飛灰磨損性能，可以作為燃煤鍋爐水冷壁管受熱面防護(hù)涂層。應(yīng)用實例表明［10～11］，對鍋爐水冷壁管面易減薄部位實施超音速電弧噴涂防護(hù)可有效阻止水冷壁管的減薄，既能減少非正常停爐時間，又能減少水冷壁管維修費用。

表1　常用幾種熱噴涂技術(shù)參數(shù)對比

2.3采用滲鋁管防高溫腐蝕

通過熱處理工藝，讓鋼件表面滲入一定濃度的鋁原子，形成一層連續(xù)致密的鋁鐵合金層，稱為滲鋁熱處理。國內(nèi)學(xué)者對鍋爐水冷壁管進(jìn)行滲鋁防護(hù)的研究見報道于70年代［12～13］。為防止水冷壁管高溫腐蝕，只需采用熱浸滲鋁法對管外壁進(jìn)行滲鋁，管內(nèi)壁和兩端不需要滲鋁［13］。經(jīng)熱浸滲鋁后管子由外到內(nèi)三層結(jié)構(gòu)分別為：氧化鋁硬殼層、鋁鐵合金層、金屬基體層。研究表明［2，12～14］，水冷壁管經(jīng)滲鋁熱處理后，其耐腐蝕、耐磨損和耐高溫氧化特性均有不同程度提高，既能延長水冷壁管的使用壽命，又能節(jié)省煤燃料的使用，使企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗。

實際運用中，滲鋁管也存在缺陷：強(qiáng)度比母材低；內(nèi)壁沉垢速度較快，且向火側(cè)內(nèi)壁的垢量較背火側(cè)內(nèi)壁多［15］，易造成水冷壁管局部過熱，而引起水冷壁管鼓包爆管。使用強(qiáng)度大的鋼管作為母材，使其滲鋁后仍具有較高強(qiáng)度，同時在鋼管滲鋁熱處理后按照母材的正火工藝對其進(jìn)行正火處理可提高滲鋁管的強(qiáng)度［16］。研究發(fā)現(xiàn)［17］，滲鋁水冷壁管在加工處理時內(nèi)壁殘留的大量氧化皮是導(dǎo)致鍋爐運行時水冷壁管結(jié)垢爆管的根本原因，而采用常溫鹽酸浸泡法可解決滲鋁水冷壁管內(nèi)壁結(jié)垢問題。

2.4采用高溫低氧燃燒技術(shù)

90年代以來在發(fā)達(dá)國家開始普遍推廣應(yīng)用高溫低氧燃燒技術(shù)［18］。將高溫空氣（800℃以上）噴入爐膛，在爐膛內(nèi)形成低氧濃度（低于15%）燃燒條件，并將燃料也噴送到氣流中燃燒。高溫低氧燃燒技術(shù)不僅能提高鍋爐的效率和機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，還能避免和減少高溫受熱面的高溫腐蝕及尾部受熱面的低溫腐蝕，具有高效節(jié)能、低氮氧化物污染等多重優(yōu)越性。

3　結(jié)論

由于煤種的多樣性，在未來相當(dāng)長時間里，燃煤鍋爐水冷壁管受熱面的高溫腐蝕問題的復(fù)雜性和嚴(yán)重性會持續(xù)存在。合理的設(shè)計鍋爐結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)燃燒的控制、采用合理的配風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)燃料和水質(zhì)的控制，提高水冷壁管自身的抗高溫腐蝕和耐飛灰磨損能力，是克服燃煤鍋爐水冷壁管煙側(cè)高溫腐蝕最有效的方法。

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曾其海（1988-），男，助理工程師，主要從事承壓特種設(shè)備檢驗檢測及材料失效分析工作。

TG172.82

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2095-2066（2016）16-0257-02

2016-5-1