氣相緩蝕技術(shù)在熱力設(shè)備停用保護(hù)中的應(yīng)用

彭杰民，冀國龍，馬嘯飛

（1.中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036011；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

1 熱力設(shè)備的停用腐蝕

電站鍋爐熱力系統(tǒng)、民用鍋爐系統(tǒng)、城市供熱管網(wǎng)及其他工業(yè)設(shè)備和管道主要為鋼制設(shè)備，在停用期間，如不采取保護(hù)措施或保護(hù)措施不當(dāng)，金屬內(nèi)表面就會引起溶解氧的腐蝕，其腐蝕速度一般比運(yùn)行期間快的多。被嚴(yán)重腐蝕的鍋爐等熱力設(shè)備，多數(shù)是在停用期間發(fā)生而在運(yùn)行期間又發(fā)展造成的。因?yàn)樵阱仩t等熱力設(shè)備停用以后，外界空氣就會大量進(jìn)入水汽系統(tǒng)，系統(tǒng)雖已放水，但金屬內(nèi)表面總是處于潮濕狀態(tài)，空氣中的氧溶解在其表面，甚至達(dá)到飽和，很容易引起溶解氧腐蝕。如果熱力設(shè)備金屬表面上有能溶于水的鹽垢時(shí)，腐蝕就會更加嚴(yán)重。鍋爐等熱力設(shè)備停用后未將水排放或有的部位排不盡，外界空氣中的氧也會溶于水中，使金屬受到溶解氧腐蝕。停用期間熱力設(shè)備金屬內(nèi)表面發(fā)生的氧腐蝕過程可由電化學(xué)方程式表示[1]

陽極反應(yīng)：Fe→Fe2++2e

陰極反應(yīng)：02+2H20+4e→40H-

在這個(gè)過程中，陽極產(chǎn)生的陽離子Fe2+和陰極產(chǎn)生的OH-又會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)

Fe2++OH-→Fe（OH）2

4Fe（0H）2+02+2H20→4Fe（0H）3

Fe（OH）2+2Fe（0H）3→Fe304+4H20

Fe304可看作是 Fe（OH）2和 Fe（OH）3脫水后的混合物。由于這些產(chǎn)物比較疏松，對金屬沒有保護(hù)性，一旦腐蝕發(fā)生就會繼續(xù)進(jìn)行下去。停用期間發(fā)生的腐蝕，無論腐蝕產(chǎn)物還是腐蝕對金屬表面造成的缺陷，在設(shè)備啟動后都會引發(fā)運(yùn)行中的腐蝕，使設(shè)備在運(yùn)行停用周期交替中腐蝕過程反復(fù)進(jìn)行[2]。因此，在鍋爐等熱力設(shè)備停用期間采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，對有效減緩設(shè)備腐蝕，確保安全運(yùn)行，延長設(shè)備使用壽命具有重要意義。

2 熱力設(shè)備停用保護(hù)方法

按照熱力設(shè)備停用腐蝕基本機(jī)理，造成腐蝕的基本外界條件為水分、溶解氧和pH值，相應(yīng)的熱力設(shè)備停用保護(hù)的方法有以下幾類：保持停用熱力設(shè)備水汽系統(tǒng)金屬內(nèi)表面干燥；防止外界空氣進(jìn)入停用設(shè)備的水汽系統(tǒng)；保持一定的pH值使金屬形成鈍化膜[3]。恰當(dāng)?shù)氖褂闷渲腥魏我环N方法都能有效減緩設(shè)備停用期間的腐蝕，但在具體選擇上還要根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)造、金屬材質(zhì)、外部條件等選擇技術(shù)成熟、簡便易行、成本低廉的保護(hù)方法。特別是對于設(shè)備龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，如停用保護(hù)方法選擇不當(dāng)，保護(hù)效果將較差。

目前，大型鍋爐系統(tǒng)的保護(hù)方法總體分為濕法、干法以及新型有機(jī)成膜法，就具體措施而言有給水壓力法、聯(lián)胺法、亞硫酸氫鈉法、充氮法、烘干法、干燥劑法等。每種方法在實(shí)際應(yīng)用中都能起到一定的作用，同時(shí)也有局限性：濕法保護(hù)受地區(qū)環(huán)境條件限制，解決防凍問題存在很大困難；干法保護(hù)在系統(tǒng)嚴(yán)密性、氣體純度條件上難以滿足；烘干法主要解決的問題是烘干程度、時(shí)間、檢測方法、環(huán)境溫度不同引起的濕度變化。目前，有較多應(yīng)用新型有機(jī)胺保護(hù)，但存在藥劑溶解性差、再次啟動后系統(tǒng)殘留藥劑造成精處理樹脂有機(jī)物中毒老化等問題。

3 碳酸銨氣相保護(hù)法

3.1 基本原理

碳酸銨氣相保護(hù)法是在傳統(tǒng)氣相保護(hù)法基礎(chǔ)上形成的，具有適應(yīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容積較大的鍋爐等熱力系統(tǒng)停備用保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。氣相緩蝕劑具有受熱易揮發(fā)和分解出有效成分的特點(diǎn)，先將潔凈的壓縮空氣加熱，利用熱空氣的加熱功能使緩蝕劑揮發(fā)或分解出有效氣體成分，用壓縮空氣將氣相緩蝕劑攜帶進(jìn)入充滿熱力系統(tǒng)，起到對熱力系統(tǒng)的保護(hù)作用，對于不同的金屬類型可以選用相應(yīng)的氣相緩蝕劑。最廣泛使用的以鋼為主要材質(zhì)的工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)，碳酸銨是一種性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的緩蝕劑。碳酸銨的化學(xué)式為（NH4）2C03·H20，是無色晶體或白色粉末，有氨味，易溶于水，在空氣中逐漸失去氨而生成碳酸氫銨，58℃時(shí)分解為氨、二氧化碳和水。由碳酸銨分解產(chǎn)生的氨溶解于水時(shí)生成NH4OH，可以使鋼表面的pH值達(dá)到10以上而處于鈍化狀態(tài)，從而避免金屬在潮濕狀態(tài)下發(fā)生氧腐蝕。

3.2 主要設(shè)備和技術(shù)參數(shù)

熱力設(shè)備氣相保護(hù)裝置全部部件組裝在1臺可移動小車上，以方便現(xiàn)場不同機(jī)組之間輪換使用。主要由壓縮空氣凈化單元、空氣加熱單元、化學(xué)藥品氣化單元以及自動控制單元組成。主要技術(shù)參數(shù)如下。

外形尺寸(長×寬×高)： （1.4×0.9×1.0） m。

整機(jī)重量：800 kg。

額定承壓：≤0.4 MPa。

工作壓力：≈O.05 MPa。

工作溫度：≤95℃（用戶可自行設(shè)定）。

空氣流通量：≤90 m3/h。

功率：18 kW。

額定電壓：380 V。

頻率：50 Hz。

化學(xué)藥品加載量：≈30 kg/次。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用方法

鍋爐在保護(hù)前進(jìn)行熱爐放水及負(fù)壓抽干操作，需對有銅設(shè)備（系統(tǒng)）進(jìn)行隔離，特別應(yīng)隔離銅材質(zhì)的凝汽器等系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)嚴(yán)密性，高、中壓缸進(jìn)氣閥、逆止閥及再熱器冷段應(yīng)加堵板。

將保護(hù)設(shè)備連接爐放水聯(lián)箱至地溝放水管，同時(shí)檢查關(guān)閉凝結(jié)水泵與爐連接的相關(guān)電動閥，手動門，關(guān)閉啟動瓶至疏水?dāng)U容器電動門，關(guān)閉管路至疏水?dāng)U容電動門。按照0.15 g/m3的化學(xué)試劑碳酸銨用量（首次加倍）分層裝入氣化筒。開啟氣化筒出氣閥，鍋爐充氣閥，加熱器出口閥，投入壓縮系統(tǒng)及加熱裝置，維護(hù)加熱器桶壓力穩(wěn)定在0.2 MPa、溫度100℃以下，觀察記錄汽化桶內(nèi)溫升情況。

待各系統(tǒng)空氣閥有氣體排出后用濕潤的pH試紙?jiān)谂趴諝忾T檢測排氣pH值大于10，符合要求后，關(guān)閉空氣門，繼續(xù)充氣加壓；壓力表指示穩(wěn)定后，關(guān)閉進(jìn)氣閥，停止充氣。

充氣結(jié)束后，在各空氣門管內(nèi)放入濕潤的不同型號試片，用軟質(zhì)橡皮密封，然后打開該空氣門，進(jìn)行每月一次的定期檢查。

在每次充氣前，預(yù)先充入不帶藥劑的壓縮空氣，并用濕潤pH試紙檢測系統(tǒng)殘留氨濃度，pH值小于9時(shí)應(yīng)立即充氣或縮短保護(hù)周期。

對于濕冷機(jī)組，針對部分閥門嚴(yán)密性差的問題，防止氨氣串入凝汽器造成銅管腐蝕，應(yīng)在每次保護(hù)結(jié)束后對凝汽器做滿水沖洗，檢測pH值8～9停止沖洗。保護(hù)期間，不得對被保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行檢修打壓或解體操作，確需上述工作應(yīng)用壓縮空氣排除受熱面內(nèi)氨氣，并通知化學(xué)檢修結(jié)束后重新保護(hù)。

3.4 主要優(yōu)點(diǎn)

a）技術(shù)成熟。綜合了充氣法和氣相緩蝕劑封存法的優(yōu)點(diǎn)，基于在堿性環(huán)境中鋼的鈍化特性對停用設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)，是熱力設(shè)備停用保護(hù)技術(shù)的創(chuàng)新，特別是對于工業(yè)上使用最為廣泛的材質(zhì)為鋼的設(shè)備長周期停用保護(hù)體現(xiàn)了巨大優(yōu)勢。目前已有10多個(gè)火力發(fā)電廠用于100～600 MW鍋爐的停用保護(hù)，效果良好。

b）適用范圍廣。適合不同容積、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的熱力系統(tǒng)，對于不同容積的熱力系統(tǒng)只是充氣時(shí)間不同；對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)選擇合適的充氣點(diǎn)和排出點(diǎn)就可使所有金屬內(nèi)表面處于保護(hù)狀態(tài)；對鍋爐等熱力系統(tǒng)的嚴(yán)密性要求不高，少量空氣進(jìn)入或保護(hù)氣體外泄對于金屬表面的整體鈍化和環(huán)境幾乎沒有影響；對放不盡水的大型復(fù)雜系統(tǒng)(如電站鍋爐的立式過熱器、再熱器)的保護(hù)效果亦不會造成不良影響，這是因?yàn)檫@些殘留的水分可以溶解氨而使與水接觸的金屬處于鈍化的pH值范圍。碳酸銨氣相保護(hù)法已經(jīng)成功應(yīng)用于空冷發(fā)電機(jī)組空冷島等復(fù)雜系統(tǒng)的長周期保護(hù)，解決了龐大空冷島的停用保護(hù)難題。

c）使用方便。使用中只需要選擇合適的充氣點(diǎn)和排放口即可在短時(shí)間內(nèi)完成保護(hù)作業(yè)。對于大型電站鍋爐，充氣點(diǎn)一般選擇在省煤器和水冷壁的底部放水聯(lián)箱，排氣口可根據(jù)充氣進(jìn)程依次打開汽包、過熱器、再熱器的空氣門排放，當(dāng)檢測到這些空氣門排出氣體含有氨氣后逐級關(guān)閉即可。

d）保護(hù)周期長。對于正常停用的機(jī)組關(guān)閉相關(guān)閥門后，保護(hù)的周期一般推薦60 d，60 d以后可以打開空氣門檢測，如檢測到pH≥10可以繼續(xù)延長保護(hù)周期，否則再次充入保護(hù)氣體即可。

e）費(fèi)用低。對于鋼制系統(tǒng)推薦使用的保護(hù)劑為化學(xué)純級碳酸銨，1臺300 MW機(jī)組鍋爐系統(tǒng)保護(hù)用藥劑費(fèi)用每次不超過1 000元，遠(yuǎn)低于其他保護(hù)方法。

4 結(jié)論

應(yīng)用碳酸銨氣相保護(hù)法，可以對不同容積、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的熱力系統(tǒng)進(jìn)行長期和短期停用保護(hù)，具有技術(shù)成熟、保護(hù)效果好、適用范圍廣、使用方便、保護(hù)周期長和費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。除濕冷機(jī)組外，也可以用于空冷發(fā)電機(jī)組空冷島的長周期停用保護(hù)，解決了龐大空冷島停用保護(hù)的難題。

［1］ 李宇春，龔洵潔，周科朝.材料腐蝕與防護(hù)技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2004：15.

［2］ 龔洵潔.熱力設(shè)備的腐蝕與防護(hù)［M］.北京：中國電力出版社，1998：132.

［3］ 曹長武，宋麗莎，羅竹杰.火力發(fā)電廠化學(xué)監(jiān)督技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2005：229.