汽包內(nèi)給水分配管流動(dòng)加速腐蝕分析

陳志剛，郭新良，高永奎，夏桓桓

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

1 前言

某電廠裝機(jī)容量為4×300 MW，其中#1機(jī)組鍋爐為DG1025/18.2－Ⅱ8型單汽包、亞臨界、一次中間再熱自然循環(huán)煤粉爐;汽輪機(jī)為N300－16.7/538/538型亞臨界、單軸雙缸雙排汽、中間再熱凝汽式汽輪機(jī)。A級(jí)檢修汽包期間發(fā)現(xiàn)汽包內(nèi)12根給水分配管存在大面積腐蝕現(xiàn)象。

2 腐蝕情況

2.1 腐蝕情況調(diào)查

2.1.1 腐蝕滲漏的部位

1)腐蝕發(fā)生的部位大部分在給水分配管的下部豎直段與中部水平段連接的彎頭靠近豎直段處。

2)中部水平段與上部豎直段連接的彎頭靠近水平段發(fā)生腐蝕。

3)給水分配管與省煤器出口管連接的彎頭靠近豎直段發(fā)生腐蝕。

2.1.2 腐蝕有以下特征

1)大部分腐蝕發(fā)生在給水分配管的下部豎直段與中部水平段連接的彎頭靠近豎直段處;另外兩處腐蝕也是發(fā)生在彎頭連接處;

2)腐蝕的管壁均勻減薄，腐蝕管內(nèi)壁光滑，無(wú)凹凸不平的腐蝕坑、無(wú)鼓包、無(wú)點(diǎn)蝕、無(wú)裂紋;

3)發(fā)生腐蝕較少的水平段，管壁厚度基本無(wú)變化，而發(fā)生腐蝕的部位管壁厚度已明顯減薄。

2.2 熱力系統(tǒng)水汽品質(zhì)分析

發(fā)生腐蝕的管道為汽包內(nèi)給水分配管材質(zhì)為#20碳鋼，規(guī)格為φ76×4 mm，給水分配管采用的是幾段焊接的方式，水平段與豎直段的連接采用的是直角斜口焊接的方式。

2.3 運(yùn)行方式

該機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)給水采用AVT(R)的處理方式，即給水加氨和加除氧劑的聯(lián)合處理方式。當(dāng)給水溶氧合格時(shí)，采用AVT(O)的處理方式，即給水只加氨，不加除氧劑。該機(jī)組爐水開(kāi)機(jī)時(shí)會(huì)加磷酸鹽處理，當(dāng)硬度合格后，改用爐水氫氧化鈉處理。給水流量控制在負(fù)荷10 MW對(duì)應(yīng)30 t/h左右，其中給水流量最大為1025 t/h。

3 腐蝕原因分析

從腐蝕現(xiàn)象來(lái)看，腐蝕泄漏處均發(fā)生在給水分配管彎頭連接處，且彎頭焊接的方式為直角斜焊，腐蝕管樣內(nèi)表面光滑，無(wú)結(jié)垢，無(wú)凹凸不平的腐蝕坑，無(wú)鼓包腐蝕，無(wú)裂紋，腐蝕部位壁厚均勻減薄，未腐蝕部位壁厚基本未變。同時(shí)對(duì)該機(jī)組2012年1～6月份熱力系統(tǒng)水汽品質(zhì)的調(diào)查，對(duì)可能引起腐蝕的給水pH值、溶解氧、給水Fe3+、爐水氯離子等侵蝕性陰離子進(jìn)行分析，給水pH 2012年1～6月份控制在9.10～9.35之間，均在合格范圍內(nèi);給水溶解氧1季度合格率為99.8%，2季度合格率為97.4%，合格率水平均較高;給水全鐵2012年1～6月份控制在1～15 μg/L之間，也均在合格范圍內(nèi);#1爐水氯離子抽檢上半年均在合格范圍內(nèi)。

熱力水汽系統(tǒng)最容易發(fā)生以下四種腐蝕［1］:

1)pH過(guò)低造成的一般性腐蝕;

2)溶氧不合格造成的鼓包腐蝕;

3)結(jié)垢造成的垢下腐蝕;

4)流體湍流部位的流動(dòng)加速腐蝕。

如果是給水pH偏低造成的腐蝕，那么腐蝕將會(huì)發(fā)生在整個(gè)管道內(nèi)，而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查腐蝕僅發(fā)生在給水分配管內(nèi)流體流向發(fā)生改變的地方，水平管道未見(jiàn)腐蝕，同時(shí)結(jié)合給水的pH值，可以排除pH偏低造成腐蝕的可能。

氧腐蝕的特征為金屬表面有鼓包，鼓包表面的顏色可能呈黃褐色、磚紅色或黑褐色，將這些腐蝕產(chǎn)物除去之后，便可看到一些大小不一的腐蝕坑。而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查腐蝕的給水分配管，其表面未見(jiàn)鼓包，同時(shí)給水溶氧未見(jiàn)超標(biāo)。因此，可以排除給水溶氧不合格造成氧腐蝕的可能。

垢下腐蝕時(shí)管表面應(yīng)有不同程度的結(jié)垢。表現(xiàn)特征為管各部分不同程度地減薄，呈現(xiàn)凹凸不平的表面，當(dāng)管壁減薄至極限厚度時(shí)，將在鍋爐工作壓力的作用下發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生鼓包，直至發(fā)生爆管。而給水分配管處，水流速較高，不易產(chǎn)生沉積，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查腐蝕的管樣可知，管內(nèi)部光滑、干凈，無(wú)沉積物。因此，可以排除由于結(jié)垢造成垢下腐蝕的可能。

進(jìn)一步分析腐蝕的形貌和腐蝕發(fā)生的部位，腐蝕均發(fā)生在給水分配管的直角彎頭連接處，同時(shí)腐蝕穿孔的管樣內(nèi)壁均勻減薄，且管內(nèi)壁光滑，判斷造成腐蝕的原因?yàn)橹苯菑濐^處管道內(nèi)流體湍流引起的流動(dòng)加速腐蝕 (FAC)［2］。

流動(dòng)加速腐蝕是物理和電化學(xué)過(guò)程相互作用而形成的一種金屬損耗形式，它是碳鋼或低合金鋼的磁性氧化鐵保護(hù)層溶解到流動(dòng)的水或水汽兩相流中，造成管道的內(nèi)表面保護(hù)層減薄。減薄后保護(hù)作用減小，腐蝕速率增加，隨著電廠的運(yùn)行，這一過(guò)程會(huì)持續(xù)下去直至管道爆管或穿孔。流動(dòng)加速腐蝕的顯著特點(diǎn)是，金屬表面沒(méi)有點(diǎn)蝕也沒(méi)有裂紋，表面是一層多孔氧化膜。該氧化膜會(huì)隨著時(shí)間的延續(xù)，持續(xù)的剝離、溶解直至管道減薄甚至爆管。

鋼鐵在湍流的情況下，特別是在介質(zhì)中溶解氧很小的情況下，鋼鐵容易發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕。在管道直徑突然改變，水流方向突然改變的部位最容易發(fā)生 FAC［3］。例如:三通，水流突然改向;管道彎頭，水流突然改向;管道直徑改變處，由小管徑變?yōu)榇蠊軓剑缓笥钟纱蠊軓阶優(yōu)樾」軓剑谛」軓讲课蛔钊菀装l(fā)生FAC。在火電廠熱力水汽系統(tǒng)中，省煤器管道、給水系統(tǒng)最容易誘發(fā)流動(dòng)加速腐蝕。

在一些管道90°彎頭部位，水流從水平方向改變?yōu)榇怪狈较颍趶濐^處，金屬表面受水的沖擊非常大。由于水流沖擊的作用，金屬表面附著力差的氧化膜被剝離，金屬露出未被保護(hù)的基體，使腐蝕加快。分析彎頭部分受力［4］，見(jiàn)圖1，R為流體對(duì)彎頭內(nèi)壁的壓力，θ為彎曲角度，P1和P2分別為1－1’和2 －2’截面處的壓力，Ry為Y軸方向壓力，Rx為X軸方向壓力。

圖1 彎頭內(nèi)壁受力分析

通過(guò)流體力學(xué)計(jì)算，得出R的計(jì)算公式為:

式中A——截面處截面積;

Ρ——流體密度;

v——截面處流速;

Q——流量。

從上式可知，隨著θ角度的增大，管道受到的側(cè)壓力也增大。給水分配管發(fā)生穿孔泄漏的位置大部分位于彎頭處，且彎頭的彎曲角度為90°，見(jiàn)圖4和圖6，則R=2(ρQv+PA)，受力最大;對(duì)于直管段，R=0，受力最小。

結(jié)果表明，900彎頭的側(cè)壓力最大，沖刷作用也就最強(qiáng)，而直管內(nèi)流體對(duì)管壁無(wú)壓力，即無(wú)沖刷作用。這與管道內(nèi)壁情況檢查的結(jié)果相一致。沖力的大小與管內(nèi)的壓力和流體的流速成正比。即流速越快，介質(zhì)對(duì)管壁的壓力越大，沖力就越大，材料受到的沖刷作用就越嚴(yán)重。熱力系統(tǒng)管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物以及鐵氧化膜在介質(zhì)的沖刷作用下而剝落，剝落速度和沖力大小成正比，沖力越大，剝落越快，露出的金屬基體表面又產(chǎn)生新的腐蝕。這樣彎頭內(nèi)側(cè)管壁經(jīng)受管內(nèi)流體長(zhǎng)時(shí)間的沖刷腐蝕作用，管壁均勻減薄直至出現(xiàn)穿孔泄漏。

4 腐蝕對(duì)鍋爐的危害

1)蒸汽中水滴攜帶量增大:給水分配管發(fā)生腐蝕后，給水未經(jīng)汽包底部給水管孔眼均勻流入汽包，造成汽包內(nèi)介質(zhì)擾動(dòng)較大，可能造成蒸汽中水滴攜帶量增大;同時(shí)， 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知少部分腐蝕的給水分配管在汽包汽側(cè)，這樣，從省煤器出口管過(guò)來(lái)的給水直接噴到汽包的蒸汽中，造成蒸汽機(jī)械攜帶增大;攜帶的雜質(zhì)在過(guò)熱器和汽輪機(jī)葉片上產(chǎn)生沉積，影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2)加劇熱力系統(tǒng)的腐蝕:給水分配管腐蝕后，其腐蝕產(chǎn)物主要為鐵以及鐵的氧化物，這些腐蝕產(chǎn)物通過(guò)汽包內(nèi)下降管進(jìn)入鍋爐水冷壁后，會(huì)加速鍋爐水冷壁的結(jié)垢和腐蝕

5 結(jié)束語(yǔ)

該電廠給水分配管水平段與豎直段采用的是直角斜口焊接的方式，這種焊接方式造成的水流對(duì)管壁側(cè)壓力最大，流體對(duì)管道的沖刷作用也最強(qiáng);同時(shí)，該電廠給水分配管采用的為普通#20號(hào)碳鋼，該鋼材在流體發(fā)生湍流和轉(zhuǎn)向的位置容易發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕。通過(guò)以上分析，該電廠汽包內(nèi)給水分配管發(fā)生腐蝕泄漏的原因?yàn)橹苯菑濐^處管道內(nèi)流體湍流造成的流動(dòng)加速腐蝕 (FAC)。

［1］龔詢潔.熱力設(shè)備的腐蝕與防護(hù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1999.

［2］榮幼澧.流動(dòng)加速腐蝕的危害及其防止［J］.華東電力，2003，3:50－51.

［3］代真，郝曉軍.電廠管道大小頭處減薄研究［J］.華北電力技術(shù)，2008，7:6－8.

［4］張英.工程流體力學(xué)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2002:47－50.