余熱鍋爐低溫腐蝕試驗(yàn)平臺(tái)的建立

鐘春雷　袁桂華（.大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，遼寧　大連　603；.大連卓遠(yuǎn)重工有限公司，遼寧　大連　603）

余熱鍋爐低溫腐蝕試驗(yàn)平臺(tái)的建立

鐘春雷1袁桂華2
（1.大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，遼寧大連116013；2.大連卓遠(yuǎn)重工有限公司，遼寧大連116023）

選擇碳鋼、ND鋼、Corten鋼、316L鋼及碳鋼+搪瓷表面處理材料作為研究對(duì)象，針對(duì)余熱鍋爐系統(tǒng)煙氣深度冷卻后，受熱面積灰和硫酸結(jié)露的外部特性，搭建一個(gè)切實(shí)可行的低溫腐蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)的建立將為預(yù)測(cè)低溫腐蝕速率、減緩傳熱管低溫腐蝕和控制硫酸沉積速率提供技術(shù)及理論支持。

余熱鍋爐；低溫腐蝕；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立

石化行業(yè)的余熱鍋爐的煙氣中常含有一些腐蝕性氣體和腐蝕性物質(zhì)，如硫的氧化物，釩的氧化物，這些物質(zhì)會(huì)對(duì)余熱鍋爐產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕，嚴(yán)重時(shí)在很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)使鍋爐遭到損壞。當(dāng)進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣中含有SO2時(shí)，其中一部分會(huì)轉(zhuǎn)化成SO3，并與煙氣中的水蒸汽結(jié)合生成硫酸蒸汽，且能顯著地提高煙氣的露點(diǎn)溫度，在低溫金屬表面上凝結(jié)形成硫酸溶液，與堿性灰反應(yīng)，也與金屬反應(yīng)，因而產(chǎn)生腐蝕。由于經(jīng)常發(fā)生在鍋爐的低溫受熱面上，故稱低溫腐蝕。低溫腐蝕的特點(diǎn)是均勻性腐蝕，它使管壁厚度逐漸減薄以至破裂，對(duì)余熱鍋爐的安全運(yùn)行危害性極大。為了有效的防止低溫腐蝕的發(fā)生，以確保余熱鍋爐安全有效運(yùn)行，為了對(duì)余熱鍋爐低溫腐蝕進(jìn)行更好的研究，重點(diǎn)闡述余熱鍋爐低溫腐蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立。

一、實(shí)驗(yàn)原理分析

1.實(shí)驗(yàn)氣體選擇

經(jīng)過大量的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)影響低溫腐蝕的氣體主要是溶于水的酸性氣體，包括HCl、NO2、SO2、SO3等，但是HCl、NO2、SO2溶于水形成的酸露點(diǎn)與水露點(diǎn)接近，實(shí)際煙氣溫度都遠(yuǎn)高于水露點(diǎn)，而SO3溶于水形成的酸露點(diǎn)與水露點(diǎn)接近，實(shí)際煙氣溫度都遠(yuǎn)高于水露點(diǎn)，而SO3溶于水形成的硫酸露點(diǎn)很高，因此影響低溫腐蝕的主要?dú)怏w為SO3，但是煙氣中含有大量的SO2，SO2能夠在一定條件下轉(zhuǎn)化成SO3從而影響低溫腐蝕，因此本實(shí)驗(yàn)選定的腐蝕氣體為SO2、SO3和水蒸氣，平衡氣體為N2。

2.實(shí)驗(yàn)氣體的獲取

由于無法買到SO3標(biāo)氣，因此根據(jù)稀溶體成分等于其飽和蒸汽的分壓，設(shè)置電熱恒溫培養(yǎng)箱的溫度為該分壓下水蒸汽的飽和溫度，以得到要求含量的SO3和蒸汽。

3.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

將配置好的稀硫酸溶液放置于恒溫箱中，N2通過硫酸溶液，帶出SO3和水蒸汽。所有氣體在混合器中混合均勻后通入后續(xù)裝置，為保證SO3和水蒸汽不凝結(jié)，將混合器也放置于恒溫箱中。

實(shí)驗(yàn)將金屬試片掛于特制的有機(jī)玻璃管壁上，管內(nèi)通水，管外通煙氣，模擬實(shí)際工況受熱面的情況。管子放置于真空試管爐中，真空試管爐的溫度設(shè)置為實(shí)際煙氣的溫度，管內(nèi)水由恒溫水箱加熱。煙氣溫度高，水溫低，用以模擬高溫?zé)煔庵械乃崮Y(jié)于低溫管壁面引起低溫腐蝕的情況。

據(jù)調(diào)研，煙氣中飛灰對(duì)低溫腐蝕有很大的影響，因此本試驗(yàn)也設(shè)置了加灰裝置，盡量使模擬煙氣的性質(zhì)接近于實(shí)際煙氣。

實(shí)驗(yàn)利用煙氣分析儀來實(shí)時(shí)監(jiān)控真空管式加熱爐內(nèi)模擬煙氣中SO2、SO3和水蒸汽的實(shí)際含量，以便得到更精準(zhǔn)的結(jié)果；SO3的檢測(cè)有很大的困難，一般用電化學(xué)方法，但是仍然存在較大的誤差。實(shí)驗(yàn)后的氣體經(jīng)尾氣處理裝置后排入大氣，尾氣處理裝置內(nèi)含CuSO4溶液與NaOH溶液。

每個(gè)試樣片上固定一個(gè)熱電偶，實(shí)時(shí)監(jiān)控試樣片的壁溫；有機(jī)玻璃管的出口與入口各設(shè)置一個(gè)熱電偶，實(shí)時(shí)監(jiān)控管子兩端的水溫；溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控能夠更好更精確的反應(yīng)低溫腐蝕與管壁溫間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)中設(shè)置清洗氣路，主要作用是在做完實(shí)驗(yàn)降低溫度時(shí)利用N2保護(hù)腐蝕式樣，避免因降溫而引起額外的腐蝕，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

二、實(shí)驗(yàn)過程

1.實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材包括氣瓶（SO2、N2）、混合器、高溫管式加熱爐、恒溫水箱、電熱恒溫培養(yǎng)箱、熱電偶、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、煙氣分析儀、流量計(jì)、廢氣處理裝置、有毒氣體報(bào)警器等。

2.實(shí)驗(yàn)方法

（1）實(shí)驗(yàn)對(duì)象：主要包括目前國(guó)內(nèi)外常用的耐硫酸腐蝕鋼：ND鋼、Corten鋼、316L不銹鋼、碳鋼加表面搪瓷處理。

（2）試樣加工：試樣由線切割加工成尺寸為15mm×15mm×3mm，用砂子細(xì)磨，然后依次用丙酮、乙醇、水沖洗干凈，干燥保存。

（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)間：經(jīng)過大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)低溫腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線為拋物線型，腐蝕最大時(shí)間選定為100h，每種試樣的動(dòng)力學(xué)曲線由7個(gè)點(diǎn)組成，取時(shí)間分別距離實(shí)驗(yàn)開始：3h，6h，12h，24h，40h，65h，100h。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理：

①利用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、能譜分析（EDS）、電子天平對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，研究腐蝕氣氛、材料壁溫、煙氣溫度、腐蝕時(shí)間、材料特性（主要抗腐蝕元素）等因素對(duì)腐蝕的影響，研究其微觀組織結(jié)構(gòu)和元素遷移變化規(guī)律。

②根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，揭示傳熱管材料低溫腐蝕機(jī)理，并提出預(yù)測(cè)低溫腐蝕速率的預(yù)警方法。

③根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，結(jié)合煙氣深度冷卻裝置的壽命，提出傳熱管低溫腐蝕的安全壁溫和再循環(huán)控制方案以及減緩材料低溫腐蝕的材料防護(hù)表面工程技術(shù)方法。

④利用低溫腐蝕試驗(yàn)臺(tái)研究硫酸沉積率控制技術(shù)，采用煙氣內(nèi)噴防腐劑的辦法控制硫酸的沉積，從而達(dá)到防止低溫腐蝕、更進(jìn)一步降低煙氣溫度的目的。

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