燃煤鍋爐水冷壁管的沉積物氧化腐蝕特征與力學(xué)特性分析

劉繁旭,施龍平,楊金澤

(國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司花園電廠,新疆 哈密 839000)

燃煤鍋爐是火力發(fā)電廠的基礎(chǔ)設(shè)備,燃煤鍋爐運行情況直接影響火力發(fā)電廠的發(fā)電能力[1]。因水質(zhì)的影響導(dǎo)致燃煤鍋爐水冷壁管會形成沉積物[2],在燃煤鍋爐高溫運行情況下,沉積物會與冷壁內(nèi)氣體發(fā)生氧化反應(yīng)腐蝕冷壁,長時間腐蝕會使燃煤鍋爐水冷壁管變薄,嚴重時會發(fā)生燃煤鍋爐水管爆裂的故障,威脅電廠員工的人身安全[3]。水冷壁管是燃煤鍋爐受熱時間最久的零件,水冷壁管材質(zhì)為低合金鋼材質(zhì),當(dāng)水中有雜質(zhì)時,導(dǎo)致水冷壁管上掛著大量結(jié)垢物質(zhì)。鍋爐在溫度為350 ℃以上時,鍋爐在運行時會產(chǎn)生大量腐蝕氣體,產(chǎn)生氧化腐蝕物質(zhì),這些腐蝕物質(zhì)直接腐蝕水冷壁管,該種現(xiàn)象為高溫氧化腐蝕[4]。水冷壁管溫度、燃燒工況、燃燒器結(jié)構(gòu)等原因會導(dǎo)致水冷壁管產(chǎn)生高溫氧化腐蝕現(xiàn)象[5-6]。

目前,相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開始對燃煤鍋爐水冷壁管腐蝕特征分析的課題展開研究,閆廷慶[7]等人分析空氣動力對水冷壁管高溫腐蝕影響,通過空氣動力試驗得出燃燒器結(jié)構(gòu)是影響水冷壁管高溫腐蝕的主要原因,并給出相關(guān)調(diào)整措施。汪亞軍等人分析涂鎳基涂層對燃煤鍋爐水冷壁管腐蝕特征分析[8],在制備涂鎳基涂層樣本后,在不同溫度情況下,通過數(shù)據(jù)分析法分析不同煙氣條件下,樣本的腐蝕增重結(jié)果,并依據(jù)試驗結(jié)果選取最優(yōu)W涂層材料,通過該種材料可增加冷壁抗H2S腐蝕能力。但這兩種方法均未涉及沉積物對燃煤鍋爐水冷壁管氧化腐蝕的影響,試驗結(jié)果缺乏科學(xué)性[9-12]。

因此,分析燃煤鍋爐水冷壁管沉積物氧化腐蝕特征,依據(jù)分析結(jié)果,采取相應(yīng)整治方案,提高燃煤鍋爐水冷壁管抗氧化能力。

1 材料與方法

1.1 試樣準備

選取某電廠3號燃煤鍋爐的水冷壁樣管作為試驗對象,該燃煤鍋爐型號為ZG系列ZG-50/3.82-M型號,共有水冷壁管300根,左右各150根水冷壁管,將燃燒器設(shè)置在4角。3號燃煤鍋爐在2021年6月開始運行使用,總計運行時長高達5.9×105 h,水冷壁管溫度在294～342 ℃,過熱器出口蒸汽溫度和壓力分別為550 ℃、3.8 MPa。在右側(cè)水冷壁管中依據(jù)從東至西順序選取第50根水冷壁管作為試樣,該水冷壁管規(guī)格為70 mm×6.8 mm,管長為25 m。經(jīng)過長時間的運行后,該燃煤鍋爐水冷壁管出現(xiàn)了大量的沉積物,這些沉積物會對水冷壁管產(chǎn)生氧化腐蝕,因此選擇的水冷壁管可以滿足此次試驗研究的要求。

分析試樣的高溫氧化腐蝕機理如下:

(1)當(dāng)煤粉燃燒產(chǎn)生二氧化鐵,在高溫條件下,二氧化鐵吸附煙氣中流進試樣的內(nèi)壁里,經(jīng)受熱分解成硫原子,其化學(xué)式為

FeS2→S+FeS

試樣內(nèi)壁會有一定量的二氧化硫、硫化氫,經(jīng)受熱合成硫原子,其轉(zhuǎn)化化學(xué)式如下:

2H2S+SO2→2H2O+3S

(2)在缺氧環(huán)境下,硫原子在試樣內(nèi)壁溫度升至350 ℃以上時,試樣內(nèi)壁會產(chǎn)生硫化反應(yīng),得出硫化亞鐵,生成硫化亞鐵化學(xué)表達式如下:

Fe+S→FeS

(3)同時氧化亞鐵和硫化氫產(chǎn)生反應(yīng),其反應(yīng)化學(xué)表達式為

H2S+FeO→H2O+FeS

(4)硫化亞鐵經(jīng)過氧化反應(yīng)生成四氧化三鐵,其具有氧化反應(yīng)公式為

3FeS+5O2→Fe3O4+3SO2

當(dāng)在試樣壁上發(fā)生上述氧化腐蝕后,會在試樣外壁生成腐蝕層,當(dāng)腐蝕物脫落后,氧、硫會向試樣壁內(nèi)壁轉(zhuǎn)移,會和Fe發(fā)生反應(yīng)得出氧化物與硫化物,導(dǎo)致沉積物發(fā)生小部分脫落,使試樣壁發(fā)生腐蝕情況。

水冷壁管試樣化學(xué)成分如表1所示。

表1 試樣化學(xué)成分 %

1.2 試驗儀器

試驗中使用的主要使用儀器如表2所示。

表2 試驗主要儀器

1.3 試驗方法

(1)采用熱場發(fā)射掃描電鏡分析試樣顯微組織[13-14];通過金相顯微鏡分析試樣內(nèi)壁腐蝕的組織形貌。

(2)采用增重法,通過電子天平對氧化腐蝕前后試樣稱重[15-16],單位面積腐蝕增重量b計算公式如下:

(1)

式中:b為單位面積腐蝕增重量,mg/cm2;w1、w2分別為試驗前后試樣質(zhì)量,g;D為表面積,cm2。

(3)腐蝕速率曲線可描述單位面積腐蝕重量與腐蝕時間之間的關(guān)系,其表達式如下:

(2)

式中:t為腐蝕時間,s。

(4)采用BJDL-S100N型號拉力試驗機對試樣力學(xué)性能進行測試。

2 試驗分析與結(jié)果

2.1 沉積物分析

通過EDS能譜分析試樣在向火測沉積物微觀形貌,分析結(jié)果見圖1。

圖1 沉積物微觀形貌

分析圖1(a)可知,沉積物比較疏松,并呈不同明暗度的分層結(jié)構(gòu),晶粒比較細,由圖1(b)可知,沉積物內(nèi)部發(fā)生少量的裂紋,呈不同明暗度的分層結(jié)構(gòu)。

沉積物EDS分析結(jié)果如表3所示。

表3 沉積物EDS分析結(jié)果 %

分析表3可知,沉積物由硅、碳、氧、硫、鋁、硫組成。其中外表面中還包括鋅,主要原因是因試樣外表面長期受灰渣的影響,發(fā)生氧化反應(yīng)而生成鋅;試樣外表面的碳、氧含量較高,硫含量比較低,外A(離試樣內(nèi)壁最遠)的硫含量低至4.393%;試樣內(nèi)表面內(nèi)A(貼近試樣內(nèi)壁)硫含量最高,硫含量高達17.9%,碳、氧含量相比較外A有所下降。

通過XRD(X射線衍射儀)分析得出沉積物的重要成分包括:Fe3O4、Fe2O3、FeS。這些硫化物會和試樣產(chǎn)生高溫氧化腐蝕反應(yīng),分析沉積物氧化腐蝕特征。

2.2 氧化腐蝕損傷特征分析

考慮鍋爐爐水水質(zhì)直接影響試驗的性能,采用質(zhì)量流量計分析鍋爐爐水質(zhì)量,利用pH檢測儀測試爐水pH值,其結(jié)果見表4。

表4 鍋爐爐水質(zhì)量

分析表4可知,水中磷酸根離子質(zhì)量濃度為3.36～5.86 mg/L,水中磷酸根離子質(zhì)量濃度平均值為4.462 mg/L,不符合水中磷酸根離子質(zhì)量濃度低于3.02 mg/L國家標準;依據(jù)GB/T12145—2008國家相關(guān)質(zhì)量標準,爐水pH值為9.482～9.392,符合國家標準。綜合分析鍋爐水質(zhì)中雖然pH值正常,但磷酸根離子質(zhì)量濃度嚴重超標,導(dǎo)致鍋爐爐水水質(zhì)差可能會使冷壁產(chǎn)生沉積物。

通過金相顯微鏡分析試樣內(nèi)壁腐蝕的組織形貌,其金相組織,見圖2。

圖2 腐蝕內(nèi)壁金相組織

分析圖2(a)可知,在向火側(cè)因沉積物氧化腐蝕導(dǎo)致試樣內(nèi)壁呈帶狀分布,有少量晶微裂紋,組織中包括Fe和珠光體;分析圖2(b)可知在背火側(cè)因沉積物氧化腐蝕導(dǎo)致試樣內(nèi)壁呈帶狀分布,沒有裂紋,沒有出現(xiàn)脫碳情況,組織中包括Fe和珠光體。

采用SU-700型號的熱場發(fā)射掃描電鏡分析試樣在沉積物下向火側(cè)的顯微組織,其SEM結(jié)果見圖3。

圖3 向火側(cè)內(nèi)壁組織

分析圖3(a)可知,試樣向火側(cè)內(nèi)壁出現(xiàn)晶裂紋,由圖3(b)可知,試樣被沉積物氧化腐蝕后損傷裂紋分布情況和珠光體分布情況幾乎一樣,同時裂紋都集中在珠光體邊緣,圖3(b)中白色亮光位置為裂紋邊界。經(jīng)分析可知,因珠光體中滲入大量碳體導(dǎo)致氧化反應(yīng),從而使試樣內(nèi)壁出現(xiàn)微裂紋的現(xiàn)象。

2.3 腐蝕溫度對氧化腐蝕特性的影響

在相同腐蝕時間的條件下,腐蝕溫度分別為350、450、550 ℃時,測試試樣的單位面積腐蝕增重量,得出試樣的腐蝕增重曲線,見圖4。

圖4 試樣的腐蝕增重曲線

由圖4表明,當(dāng)腐蝕溫度由350 ℃升高至550 ℃,腐蝕增重量也隨之增加。當(dāng)腐蝕溫度為350、450、550 ℃時,試樣最大單位面積腐蝕增重量分別為1.8、4.2、12.0 mg/cm2。因此腐蝕溫度越高,測樣的腐蝕情況越嚴重,導(dǎo)致的腐蝕增重越大。

在不同腐蝕時間的條件下,設(shè)置腐蝕時間分別為60、90、120 h時,同時腐蝕溫度為250～550 ℃時,測試試樣的腐蝕速率,得出腐蝕速率曲線,見圖5。

圖5 腐蝕速率曲線

分析圖5可知,溫度的增加會提升腐蝕速率,分析原因可知,氧化腐蝕反應(yīng)受腐蝕時間影響較大,在腐蝕時間增加的過程中,試驗沉積物氧化腐蝕已經(jīng)達到反應(yīng)完全,沉積物逐漸增多,降低腐蝕氣體對試樣的影響,導(dǎo)致腐蝕速率隨腐蝕時間增加越來越低。同時隨著溫度增加會提升試樣氧化腐蝕速率,其中腐蝕時間為60 h,腐蝕溫度為550 ℃,試樣的氧化腐蝕速率為0.25 mg/(cm2·h)。

2.4 力學(xué)特性分析

在室溫環(huán)境中,采用CZ-6014型號拉力試驗機對試樣力學(xué)性能進行測試。在試樣的向火側(cè)與背火側(cè)各采取一個試樣實施力學(xué)性能試驗,得出試驗結(jié)果,見表5。

表5 試樣的力學(xué)性能

分析表5可知,試樣向火側(cè)和背火側(cè)的力學(xué)性能指標均符合GB5310—2008標準,其中背火側(cè)的力學(xué)性能顯著優(yōu)于向火側(cè)的力學(xué)性能,其中背火側(cè)的延伸率為32.9%,比向火側(cè)的延伸率高出6.6%;背火側(cè)的拉伸強度為469.8 MPa,比向火側(cè)的拉伸強度高出13.4 MPa;背火側(cè)的硬度為150 HB,比向火側(cè)的硬度高出8 HB。經(jīng)深入分析表明,背火側(cè)材質(zhì)較好。

3 結(jié) 論

鍋爐爐水水質(zhì)中,雖然pH值為正常,但是因磷酸根離子質(zhì)量濃度嚴重超標,導(dǎo)致冷壁產(chǎn)生沉積物。這些沉積物會和管內(nèi)氣體發(fā)生氧化反應(yīng)腐蝕燃煤鍋爐水冷壁管,長時間不治理會導(dǎo)致水冷壁管爆裂,直接影響發(fā)電廠的正常運行。本文分析燃煤鍋爐水冷壁管的沉積物氧化腐蝕特征與力學(xué)特性,通過相關(guān)儀器觀察水冷壁管金相組織和顯微組織,得到了以下結(jié)論:

(1)沉積物比較疏松,并呈不同明暗度的分層結(jié)構(gòu),晶粒比較細,且內(nèi)部有少量的裂紋。

(2)隨著溫度增加會提升試樣氧化腐蝕速率,當(dāng)腐蝕時間為60 h,腐蝕溫度為550 ℃,試樣的氧化腐蝕速率為0.25 mg/(cm2·h)。

(3)背火側(cè)的力學(xué)性能顯著優(yōu)于向火側(cè)的力學(xué)性能。

將本文分析結(jié)果應(yīng)用在鍋爐運行中,提出水質(zhì)改造方案從根源上減少形成水冷壁管沉積物的條件,通過定期酸洗去除水冷壁管沉積物,降低水冷壁管沉積物的氧化腐蝕速率。