循環(huán)流化床鍋爐受熱面管失效現(xiàn)狀及防護(hù)措施研究

崔二光

摘 要：針對(duì)型號(hào)為XD-150/9.8-M的循環(huán)流化床燃煤鍋爐受熱面管頻繁更換問題，分析其失效的原因，通過宏觀檢驗(yàn)、厚度測量、定量化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測定、腐蝕物微觀測量分析腐蝕物產(chǎn)生的原因，分析腐蝕磨損機(jī)理；然后根據(jù)該鍋爐的實(shí)際情況，確定燃用煤質(zhì)和顆粒度差異、硫化物高溫腐蝕、固體顆粒沖刷磨損及汽水質(zhì)量的影響等是受熱面管失效導(dǎo)致其頻繁更換的主要原因，提出降低燃料含硫量、降低燃料顆粒度，調(diào)整二、三次風(fēng)風(fēng)速，采用防腐蝕沖刷材料，增加噴涂手段，提升水處理設(shè)備等防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；受熱面管；高溫腐蝕；沖刷磨損；顆粒度

中圖分類號(hào)：TK229.66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）16-0040-04

Study on Failure of Heating Surface Tubes of Circulating

Fluidized Bed Boiler and Protection Measures

CUI Erguang

Abstract： Aiming at the frequent failure and replacement of heating surface pipes of CFB coal-burning boiler with the type of XD-150/9.8-M ， the cause of which was analyzed. The mechanism of corrosion wear was discussed through macroscopic examination， thickness measurement， chemical composition analysis and mechanical properties measurement， corrosion microcosmic measurement and analysis of the cause of corrosion. Based on the actual condition of the boiler， It was found that the main reasons for the frequent replacement of the heating surface pipe were coal quality and particle size difference， high temperature corrosion of sulfide， solid particle scour and the quality of steam water， etc. Some protection measures were put forward， such as reducing sulfur content of fuel， reducing fuel particle size， adjusting the speed of primary air and secondary air， using anti-corrosion and scour materials， the addition of spraying and the upgrading of water treatment equipment.

Keywords： circulating fluidized bed boiler；heating surface tube；high temperature corrosion； erosive wea；particle size

1 案例分析

某氧化鋁廠共有3臺(tái)型號(hào)為XD-150/9.8-M的循環(huán)流化床燃煤鍋爐，每臺(tái)平均累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)約為42 000h。其中，2號(hào)和3號(hào)鍋爐已經(jīng)進(jìn)行了2次蒸發(fā)管和三級(jí)過熱器管等受熱面管的更換?；诖?，本文主要對(duì)其受熱面管頻繁更換的原因及防護(hù)措施進(jìn)行分析討論。

經(jīng)現(xiàn)場內(nèi)部檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該廠使用的鍋爐為室外并列布置，每臺(tái)鍋爐由前部及后部兩個(gè)豎井煙道構(gòu)成。前部豎井為爐膛，是懸吊結(jié)構(gòu)。爐膛四周由膜式受熱面管組成，自下而上依次布置著蒸發(fā)管、三級(jí)過熱器、二級(jí)過熱器、一級(jí)過熱器及二級(jí)省煤器等受熱面部件。后部是尾部受熱面煙道豎井，采用支撐結(jié)構(gòu)，布置有一級(jí)省煤器及管式空氣預(yù)熱器等部件。爐膛（蒸發(fā)管下部的空間）及旋風(fēng)分離器內(nèi)部均設(shè)有防磨內(nèi)襯。鍋爐采用床下點(diǎn)火，分級(jí)燃燒，一次風(fēng)率為50%。在蒸發(fā)管下部的爐膛高度達(dá)20m左右，正常運(yùn)行時(shí)，密相區(qū)為湍流床，床溫始終控制在860～900℃，在該范圍內(nèi)的前后墻由下而上依次布置著二、三次風(fēng)。蒸發(fā)管下部的爐膛內(nèi)四周的水冷壁鰭片管上鋪設(shè)有耐火襯里，因此，這一段爐膛內(nèi)水冷壁管減少了吸熱，使得上部懸浮段的煙溫能高達(dá)約990℃。從圖1可以看到懸浮段燃燒的劇烈程度，并直觀地看到蒸發(fā)管包裹的防磨瓦發(fā)生了明顯的損傷：脫落、翹起、變形、轉(zhuǎn)向、磨損等；蒸發(fā)管外表面又明又亮，這是明顯的沖刷磨損痕跡。該蒸發(fā)管由2組蛇形管組成，每組管束的規(guī)格為Φ32mm×5mm、材料為20G，錯(cuò)列布置，迎風(fēng)面及背風(fēng)面均裝設(shè)防磨裝置；三級(jí)過熱器管由規(guī)格為Φ32mm×5mm、材料為SA-213T91的耐熱鋼管組成，順列布置。更換下的蒸發(fā)管口內(nèi)表面局部圖見圖2。

2 宏觀檢驗(yàn)及厚度測量

檢驗(yàn)鍋爐內(nèi)部時(shí)，對(duì)蒸發(fā)管和三級(jí)過熱器管等部位的受熱面管進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)和厚度測量。經(jīng)過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)管子存在大面積的厚度減薄，如圖3管子局部磨損。經(jīng)過對(duì)3號(hào)鍋爐的蒸發(fā)管和三級(jí)過熱器進(jìn)行壁厚定位抽測，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)管最薄處的壁厚為2.25mm（最小需要厚度為2.35mm），三級(jí)過熱器管最薄處的壁厚為2.10mm（最小需要厚度為2.2mm）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《水管鍋爐》（GBT 16507.1～16507.8—2013）對(duì)受熱面管材質(zhì)的強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，3號(hào)鍋爐受熱面管均已不能滿足強(qiáng)度的實(shí)際使用要求。

3 定量化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測定

通過對(duì)2臺(tái)鍋爐的三級(jí)過熱器取樣管進(jìn)行定量化學(xué)成分分析和室溫下的力學(xué)性能測試，測定結(jié)論如表1和表2所示[1]。從定量化學(xué)成分分析結(jié)果可知，2臺(tái)鍋爐的原材料符合標(biāo)準(zhǔn)《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB 5310—2008）的要求；力學(xué)性能測定結(jié)果符合上述標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定；原材料滿足要求。

4 管壁上腐蝕物的微觀測量

筆者通過觀察圖2，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)管壁上有一層白黃色垢渣、腐蝕產(chǎn)物。對(duì)樣管壁產(chǎn)物進(jìn)行微觀組織的能譜檢測[2]，檢測結(jié)果如圖4、圖5、圖6和表3所示。從這些圖表可以看出，產(chǎn)物的化學(xué)元素主要為Fe、Ca、C、O、S、Na，還含有少量的Al和Si等。

圖4是對(duì)取樣管壁腐蝕物截面的能譜圖像。從圖4可知，取樣管壁金屬基體上殘存的腐蝕物大致形態(tài)為：腐蝕物組織比較疏松，呈現(xiàn)出膠狀物質(zhì)且不均勻分布，在腐蝕面上存在大面積的龜裂紋，而且這些腐蝕物的底層不容易脫落。能譜檢測分析結(jié)果表明，腐蝕層產(chǎn)物中含有Fe、S、Ca、C、O和Na，還含有少量的Al和Si等元素。這些元素中，S的危害最大。燃料中通常會(huì)含有少量的S，燃料進(jìn)入爐膛燃燒的過程中，S在365～415℃時(shí)更容易與碳鋼直接反應(yīng)生成硫化亞鐵產(chǎn)物，進(jìn)而形成高溫硫腐蝕，且這種腐蝕從449℃開始，其對(duì)受熱面管的腐蝕破壞作用不斷惡化。此外，腐蝕面上大量存在的裂紋為腐蝕介質(zhì)S的擴(kuò)散打通了道路，使得腐蝕更方便地進(jìn)入到腐蝕層的底部，與新的受熱面材料發(fā)生直接反應(yīng)進(jìn)而破壞更深的管壁材料。此外，材料的氧化膜不足以抵擋單質(zhì)硫的滲透，會(huì)導(dǎo)致管壁的腐蝕不斷加重，單質(zhì)硫可以直接以滲透的方式穿過材料的氧化膜，并沿金屬晶界方向擴(kuò)展，促使其組織內(nèi)部硫化，并且使外表面的氧化膜鼓包、產(chǎn)生裂紋，直至最后脫落。

5 管內(nèi)腐蝕物的分析

通過查看鍋爐水質(zhì)化驗(yàn)記錄和汽水品質(zhì)報(bào)告等資料，發(fā)現(xiàn)鍋爐水質(zhì)有項(xiàng)目超標(biāo)的現(xiàn)象，而且有些數(shù)值超標(biāo)嚴(yán)重、時(shí)間跨度較長，如pH值、堿度等。經(jīng)過和鍋爐水質(zhì)分析人員及運(yùn)行管理人員溝通可知：由于節(jié)能降耗、環(huán)保排放、成本控制等原因，該廠鍋爐使用的給水中含有部分回水（氧化鋁廠）。這部分回水指標(biāo)控制不嚴(yán)，導(dǎo)致汽水品質(zhì)一直得不到改善。此外，制水車間的設(shè)備老化，由于資金等問題沒有得到及時(shí)更新，也導(dǎo)致汽水品質(zhì)超標(biāo)。鍋爐在運(yùn)行一段時(shí)間后，管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，再加上水中pH值偏低，回水中的活性雜質(zhì)和受熱面管發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生嚴(yán)重的垢下腐蝕現(xiàn)象。

6 原因分析

6.1 根源有燃料變化

該電廠設(shè)計(jì)煤種為澠池?zé)熋簱綗沂?，?shí)際燃料為澠池貧煤摻燒石灰石。在實(shí)際使用過程中，這種貧煤含硫量超過鍋爐設(shè)計(jì)允許值的2倍。高含量的硫雜質(zhì)是高溫硫腐蝕的根源，硫含量得不到控制，這種腐蝕就越發(fā)嚴(yán)重。

6.2 還原性氣氛加速腐蝕

根據(jù)現(xiàn)場檢查情況可知，蒸發(fā)管表面存在黑色未燃盡粉末。通過分析可知，為保證環(huán)保超低排放要求中的NOx含量不超標(biāo)，人為地減小了二次風(fēng)、三次風(fēng)，鍋爐長期處在缺氧燃燒的狀態(tài)。這就形成了還原性氣氛，其對(duì)鍋爐受熱面管腐蝕的影響有兩點(diǎn)：第一，其可以幫助硫更容易進(jìn)入到受熱面管的氧化膜中，生成鐵的硫化物，從而加速腐蝕的進(jìn)程；第二，其對(duì)燃料燃燒后生成的腐蝕性物質(zhì)起到促進(jìn)作用。

6.3 煤粉燃燒貼壁使沖刷加劇

根據(jù)宏觀檢查情況可以判斷，在蒸發(fā)管下部的爐膛高度達(dá)20m左右，正常運(yùn)行時(shí)，密相區(qū)為湍流床，床溫始終控制在860～900℃，在這20m范圍內(nèi)的前后墻由下而上依次布置了二、三次風(fēng)。受環(huán)保要求的限制，鍋爐實(shí)際的二、三次風(fēng)風(fēng)速較小，燃料在風(fēng)口附近及內(nèi)部著火，造成噴口積灰，而且噴口被結(jié)焦、積灰堵塞，大量積灰從內(nèi)到外，導(dǎo)致爐頂、后墻中部積灰嚴(yán)重；煤粉顆粒從縫隙位置噴出，對(duì)蒸發(fā)管管排局部造成嚴(yán)重沖刷，進(jìn)而破壞蒸發(fā)管的氧化膜，使腐蝕物不斷脫落，加速腐蝕磨損的進(jìn)程。

6.4 受熱面管高溫下磨損

隨著蒸發(fā)管壁溫度的升高，高溫硫腐蝕速度大大加快。根據(jù)現(xiàn)場檢驗(yàn)情況得出，由于鍋爐實(shí)際的二、三次風(fēng)風(fēng)速較小，導(dǎo)致湍流床形成高負(fù)荷區(qū)域，蒸發(fā)管壁由于高溫區(qū)域的靠近導(dǎo)致其溫度急速升高，腐蝕速度加快。

6.5 燃料中石灰石顆粒度

燃料中石灰石顆粒度的大小對(duì)燃燒、磨損、腐蝕等也有較大影響。設(shè)計(jì)要求石灰石粒度最大不超過2mm，其中50%應(yīng)不小于0.2mm。燃料中石灰石顆粒度越大，完全燃燒越困難，同時(shí)顆粒大的燃料動(dòng)能比較大，更容易加速磨損受熱面管使其減薄。同時(shí)，延長燃料火焰，產(chǎn)生缺氧燃燒，在其附近更易形成還原性氣氛，使受熱面管發(fā)生高溫氧腐蝕。該公司在運(yùn)行初期，磨煤機(jī)出口顆粒還能滿足要求，2年之后，由于磨煤機(jī)、燃料等變化導(dǎo)致燃料粒度逐漸有超過2mm的情況發(fā)生，從而加劇腐蝕和磨損。

6.6 汽水品質(zhì)不良引發(fā)的腐蝕

實(shí)際生產(chǎn)中的回水和水處理車間設(shè)備的缺陷加速了汽水品質(zhì)不良，汽水化驗(yàn)記錄中各項(xiàng)目的數(shù)據(jù)長時(shí)間超標(biāo)得不到處理，影響了鍋爐水汽質(zhì)量，這些雜質(zhì)會(huì)先后造成受熱面管內(nèi)集鹽、腐蝕和結(jié)垢。

7 結(jié)論及建議

通過上述試驗(yàn)及分析可以得出以下結(jié)論：①燃用高硫煤及顆粒度的匹配不正確是導(dǎo)致磨損的主要原因；②該廠鍋爐受熱面腐蝕的主要原因?yàn)榱蚧锔邷馗g；③高溫腐蝕及固體顆粒沖刷磨損共同作用下加速了壁厚減薄；④腐蝕物組成主要是高溫硫腐蝕生成的鐵硫、氧化物等；⑤受熱面管母材化學(xué)及力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但腐蝕沖刷后的管壁厚度值不滿足成品最小需要壁厚；⑥由于汽水質(zhì)量超標(biāo)且未對(duì)其進(jìn)行處理，會(huì)造成受熱面管內(nèi)集鹽、結(jié)垢、腐蝕。

根據(jù)以上影響因素提出如下建議。①采用更換燃料、降低燃煤含硫量和降低燃料顆粒度等方式，從根本上避免受熱面管高溫腐蝕磨損的發(fā)生。②依據(jù)實(shí)際燃料、受熱面管的特點(diǎn)、循環(huán)流化床及其他自身因素選擇合適的空氣系數(shù)，適當(dāng)調(diào)整二、三次風(fēng)速度，盡可能達(dá)到理想的燃燒狀態(tài)。③優(yōu)化受熱面管材料可在一定程度上防止高溫硫腐蝕的發(fā)生，但該方法成本較高。當(dāng)前大多數(shù)使用單位采用等離子體噴涂技術(shù)，可有效防護(hù)達(dá)3～5年，能滿足鍋爐檢修周期的要求。④提升水處理設(shè)備性能，加強(qiáng)水質(zhì)化驗(yàn)和水汽質(zhì)量的監(jiān)控，降低汽水質(zhì)量超標(biāo)的可能性。

參考文獻(xiàn)：

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