余熱鍋爐模擬給水水質對碳素鋼材料的影響

張好峰

(大唐東北電力試驗研究所有限公司，吉林 長春 130012)

燃氣—蒸汽聯合循環發電機組與傳統的燃煤發電機組相比，具有建設周期短、發電效率高、啟動快、調峰能力強、占地面積小、用水少、環保等優點，可以大大改善電力系統運行環境，增強系統的調峰能力和事故應急處理能力[1-4]。

余熱鍋爐作為聯合循環發電機組的主要組成部分，其給水質量標準與其爐型、壓力等級等因素有關。國內常見的余熱鍋爐多為三壓式汽包爐，3個汽包的壓力等級相差很大，這就對余熱鍋爐的給水處理提出了嚴格要求。現行的GB/T 12145—2016《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》以及DL/T805.4—2016《火電廠汽水化學導則 第4部分：鍋爐給水處理》中并沒有針對余熱鍋爐的水汽質量標準。流動加速腐蝕作為余熱鍋爐最易發生的腐蝕損壞，其主要因素有水流狀態、金屬材質、溫度以及水的氧化還原電位等。流動加速腐蝕(FAC)是在還原性水環境下發生的腐蝕形態，多發生在70～300 ℃、低溶解氧濃度、低pH值的紊流區域。三壓余熱鍋爐最易發生FAC的部位是碳素鋼材質的低壓汽包、低壓蒸發器，其設計運行溫度約為150 ℃。經相關研究發現，通過提高溶解氧濃度和pH值可以有效抑制FAC的發生[5-6]。

為考察余熱鍋爐給水水質對碳素鋼材料的影響，本文選擇在150 ℃的試驗條件下，改變聯氨濃度、pH值、溶解氧濃度等影響因子進行了模擬試驗。

1 試驗方法

本試驗使用STB340碳素鋼管(其化學成分與我國Q235C相近)沿長度方向切割出的平板狀試驗片，尺寸為40 mm×20 mm×2 mm。試驗片STB340及Q235C的化學成分對比如表1所示。

表1 STB340及Q235C化學成分對比 %

試驗片表面使用800號砂紙濕式研磨，經丙酮溶液脫脂后，用于試驗測定。本次模擬FAC的試驗裝置如圖1所示。將試驗片置于高壓釜中，經高溫高壓水(150 ℃，5 MPa)從噴嘴噴出，垂直噴射到試驗片上，在20～100 h內進行試驗。試驗結束后，在添加緩蝕劑的常溫硫酸溶液中進行陰極電解還原，去除試驗片表面的氧化膜，然后利用粗糙度儀再次測定試驗片的表面形狀，通過試驗前后的形狀變化來計算減薄深度。

圖1 試驗裝置

為了測定流速、ORP(氧化還原電位)對試驗片腐蝕電位的影響，本試驗采用Ag/AgCl為外部參考電極，試驗片為工作電極。在水質調節罐中調節試驗水溶解氧和pH值，經高壓泵升壓，預熱器升溫后進入噴嘴。在升壓后通過加藥罐調節所需的聯氨、NaCl和Na2SO4濃度。

2 試驗結果

2.1 聯氨影響

流速為6 m/s時聯氨濃度對減薄速度的影響如圖2所示。在pH9.0的水質中添加10 μg/L的聯氨，較未添加聯氨的水質中減薄速度增加約3倍。pH9.3時添加50 μg/L的聯氨，其減薄速度同樣增加了約3倍。pH9.4時添加聯氨濃度為20 μg/L時，與未添加聯氨相比，減薄速度增加了約5倍。另外，添加395 μg/L的Na2SO3的試驗結果與添加50 μg/L聯氨的減薄速度相同。因此，認為除氧劑全部具有增加減薄速度的效果。

圖2 聯氨濃度對減薄速度的影響

在低pH值、低溶解氧濃度、70～300 ℃的流動水溫環境條件下，聯氨等還原劑的存在會加速FAC的發生，其發生機理如圖3所示。

圖3 聯氨等除氧劑存在條件下FAC發生機理

聯氨對150 ℃高溫水中ORP的影響如圖4所示。添加10 μg/L聯氨的ORP顯著下降，隨著添加聯氨濃度的增加，ORP小幅度下降，當添加聯氨的濃度達到40 μg/L以上時，ORP的變化很小。結果表明，與增加聯氨濃度時減薄速度會提高一樣，ORP的下降與減薄速度相對應，即聯氨的存在使水中的氧化能力降低，金屬在高溫水中形成氧化膜的過程被抑制。因此，在靜止的水環境中，聯氨對FAC的影響基本沒有區別，在流動的水環境中，聯氨的影響很大。

圖4 聯氨濃度對ORP的影響

2.2 pH值和污染物影響

pH值和污染物對減薄速度的影響如圖5所示。在沒有添加污染物的條件下，pH9.0時的減薄速度約0.25 mm/a，將pH值調至9.2以上時減薄速度降至0.08 mm/a。在添加聯氨50 μg/L、pH9.0的水環境中，減薄速度非常高，為0.88 mm/a；但是隨著pH值的上升減薄速度直線下降，在pH9.7的條件下減薄速度降至0.03 mm/a。

圖5 pH和污染物對減薄速度的影響

由以上結果可知，給水中存在NaCl、Na2SO4時因FAC而引起的減薄被加速，聯氨存在時會增大減薄速度。但在污染物與聯氨共存的條件下，將pH值調節至9.7以上就能夠有效抑制FAC。在沒有添加聯氨的AVT(O)給水處理中，即便考慮腐蝕性陰離子的混入，只要將給水pH值調節至9.3以上就能抑制因FAC而引起的減薄現象。

2.3 溶解氧影響

在25 ℃時使用氨水將模擬除鹽水pH值調節至9.0，并使用該模擬除鹽水在150 ℃、溶解氧濃度分別為2 μg/L以及5 μg/L的條件下，改變不同流速時測得的碳素鋼試驗片STB340的腐蝕電位結果如圖6所示。隨著流速提高，碳素鋼的腐蝕電位有所上升，在溶解氧濃度為2 μg/L的條件下，流速提高至20 mm/s時，試驗片的腐蝕電位依然沒有達到Fe2O3的臨界電位值，試驗片表面處于Fe3O4的生成區域；當溶解氧濃度升至5 μg/L、流速為2 mm/s時，碳素鋼的腐蝕電位到達Fe2O3的臨界電位值，隨著流速繼續增大，試驗片的腐蝕電位完全進入Fe2O3的穩定區，試驗片表面處于Fe2O3的生成區域。與Fe3O4相比，γ-FeOOH和α-Fe2O3的溶解度非常小，具有良好的防腐蝕性，能夠有效防止FAC的發生。

2.4 高pH值停爐保護

使用氨水進行停爐保護的模擬浸泡試驗結果如圖7所示。試驗在常溫、密閉的玻璃容器內進行，試驗片浸泡在一定量的大氣飽和試驗水中。隨著pH值不斷提高，停爐保護時的腐蝕速度逐漸減小，在pH10.5時，沒有發現因氧氣存在而發生的氧腐蝕，碳素鋼試驗片在浸泡時間長達28天后，依然能夠看到試驗片表面的金屬光澤，有效抑制了停爐保護過程中腐蝕發生。

圖6 碳素鋼腐蝕電位與流速的關系

圖7 使用氨水進行停爐保護試驗結果

3 結論

a. 與未添加聯氨的水質相比，聯氨濃度大于10 μg/L的水質可加速FAC速度2～5倍。在聯氨存在的水質條件下，需要將給水pH值提高至9.7以上才能有效抑制FAC的發生。

b. 聯氨的存在使氧化能力降低，金屬在高溫水中形成氧化膜的過程被抑制。因此，在靜止的水環境中，聯氨對FAC的影響基本沒有變化，在流動的水環境中，聯氨的影響很大。

c. 在沒有聯氨存在的給水中，即便考慮腐蝕性陰離子的混入，只要將給水pH值調節至9.3以上就能抑制因FAC而引起的減薄現象。

[1] 張家維，孫德俊，冷 杰.300 MW燃氣—蒸汽聯合循環三壓再熱余熱鍋爐特點[J].東北電力技術，2007，28(4)：30-33.

[2] 譚旭南，楊 威，魏 盾.燃氣—蒸汽聯合循環發電機組水汽品質監督應用[J].東北電力技術，2011，32(3)：24-27.

[3] 朱士圣，吳怡衛，孫耀峰.大型聯合循環機組化學水工況的控制與監督[J].江蘇電機工程，2008，27(2)：76-80.

[4] 彭 群.燃氣—蒸汽聯合循環機組快速啟動中水汽品質控制與監督[J].重慶電力高等專科學校學報，2016，21(2)：35-40.

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