水冷壁高溫腐蝕原因分析

何曉梅,王悅悅,王 波,楊宇卓,梁燈燈

(西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

在近年來國家節(jié)能減排愈加嚴(yán)格的大背景下,電廠為控制NOx的排放量,廣泛采用的低氮燃燒器以及空氣分級(jí)燃燒技術(shù)[1-2],但這一技術(shù)的采用在有效降低NOx的同時(shí),水冷壁向火側(cè)近壁面產(chǎn)生大量的含 CO還原性氣體,H2S 濃度也會(huì)上升,從而引發(fā)嚴(yán)重的水冷壁高溫腐蝕問題[3]。水冷壁高溫腐蝕后管壁逐漸減薄,強(qiáng)度降低,最終導(dǎo)致爆管,是影響發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要因素[4-6]。

某電廠鍋爐水冷壁使用鋼材為12Cr1MoVG鋼,在停機(jī)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)水冷壁向火側(cè)腐蝕嚴(yán)重,已嚴(yán)重威脅到機(jī)組安全運(yùn)行。本文針對(duì)上述鍋爐水冷壁管向火側(cè)腐蝕問題進(jìn)行金相和物相分析,詳細(xì)分析了水冷壁腐蝕原因,并提出了相關(guān)建議。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)水冷壁腐蝕嚴(yán)重區(qū)域在鍋爐主燃區(qū)以上、燃盡風(fēng)噴口以下區(qū)域的螺旋管圈部位,且前墻和左墻腐蝕程度較后墻和右墻嚴(yán)重。腐蝕嚴(yán)重的管子表面積灰嚴(yán)重,最薄處只有3 mm厚,腐蝕管子側(cè)面及下半部有較厚的腐蝕層,厚度在1～3 mm,腐蝕層較硬。現(xiàn)場(chǎng)水冷壁腐蝕如圖1所示。由圖1可知,水冷壁的外表面發(fā)生了嚴(yán)重的減薄,表面有一層疏松的淡黃色物質(zhì),在淡黃色物質(zhì)下可見一層堅(jiān)硬的黑色磁性物質(zhì),除去黑色物質(zhì)后水冷壁呈現(xiàn)出金屬光澤。

圖1 水冷壁整體和局部腐蝕圖

1.2 金相檢驗(yàn)

采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕液進(jìn)行腐蝕處理,制備好的試樣在OLYMPUS GX51金相顯微鏡下觀察金相。組織形貌如圖2所示,由圖2可以發(fā)現(xiàn),向火側(cè)和背火側(cè)的顯微組織形貌沒有明顯的區(qū)別,顯微組織均為鐵素體+貝氏體+碳化物,球化級(jí)別為2級(jí)(輕度球化)。

圖2 水冷壁顯微組織形貌

水冷壁向火面銹層明顯,如圖3所示,銹層最厚厚度約2 mm;整個(gè)銹層從形貌上明顯分為兩層,外側(cè)顏色較深,結(jié)構(gòu)疏松,靠近管壁的內(nèi)側(cè)銹層顏色較淺,結(jié)構(gòu)較致密,但在內(nèi)側(cè)銹層中存在大量明顯的氣孔。在整個(gè)氧化過程中有氣體生成,氣孔的存在會(huì)加速氧化過程。內(nèi)層氧化層和基體分離明顯,銹層易脫落。在銹層和金屬的界面(見圖4),表層晶粒發(fā)生碎化,晶粒的晶界明顯加粗,氧化往金屬基體發(fā)展。

圖3 水冷壁向火面銹層形貌

圖4 水冷壁向火面銹層界面

1.3 掃描電鏡及能譜分析

采用GeminSME 300掃描電鏡觀察銹層橫截面形貌,并利用能譜儀(EDS)檢測(cè)元素構(gòu)成和隨深度元素含量的變化。

由圖5可以看出, S和O在整個(gè)銹層斷面分布不均勻,S外層少,內(nèi)層多,O內(nèi)層少,外層多。整個(gè)銹層分為兩部分,內(nèi)層主要由硫鐵化合物組成,外層主要由氧和鐵的化合物組成。

圖5 銹層斷面能譜面掃描分析

1.4 X射線衍射結(jié)果

將水冷壁向火面上的銹層剝離下來,在瑪瑙研缽中研磨成10 μm左右的細(xì)粉,由Bruker D8A A25 X 射線衍射儀 (X-ray diffraction,簡(jiǎn)稱XRD)的結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,水冷壁表面的腐蝕產(chǎn)物主要為FeS、Fe7S8和Fe3O4。

圖6 銹層XRD分析結(jié)果

2 結(jié)果分析

燃煤鍋爐使用的煤成分復(fù)雜,在燃燒后產(chǎn)生具有腐蝕性成分的煙氣和煤灰,水冷壁向火面的高溫腐蝕來自氣氛腐蝕和煤灰沉積腐蝕以及兩者的協(xié)同作用,所以燃煤鍋爐水冷壁向火面高溫腐蝕是一系列復(fù)雜反應(yīng)。根據(jù)目前的研究分類,水冷壁高溫腐蝕主要的腐蝕可以分為硫腐蝕、硫酸鹽腐蝕和氯腐蝕[7-8]。水冷壁發(fā)生高溫腐蝕時(shí),入爐煤含硫量、氧量、貼壁風(fēng)和燃盡風(fēng)配置等因素均會(huì)影響水冷壁的腐蝕程度[9]。

該電站鍋爐采用擺動(dòng)式四角切圓燃燒方式,復(fù)合空氣分級(jí)低NOx燃燒系統(tǒng)。四角切圓燃燒由于氣流組織較差容易形成水冷壁局部高溫,加劇水冷壁的高溫氧化[10]。復(fù)合空氣分級(jí)低NOx燃燒系統(tǒng)對(duì)燃燒器中的通入空氣進(jìn)行分級(jí)來控制反應(yīng)區(qū)的含氧量,以有效減少燃燒區(qū)的NOx生成量,導(dǎo)致部分燃燒器區(qū)域處于貧氧還原性氣氛,產(chǎn)生大量的含 CO還原性氣體,生成H2S氣體造成水冷壁高溫腐蝕[11-12]。

該鍋爐設(shè)計(jì)煤種硫份1.15%、熱值16.74 MJ/kg,校核煤質(zhì)硫份1.26,熱值18.83 MJ/kg。近兩年該鍋爐入爐煤硫份月均值在1.54%～1.85%,硫份波動(dòng)較大,最高日均值最高硫份2.36%,硫份超過設(shè)計(jì)值較多。煤中的硫份越高,含硫量越多,會(huì)加速材料高溫腐蝕的幾率和速率[13-14]。煤中的高含量硫元素,也會(huì)使?fàn)t膛內(nèi)部的氣流擾動(dòng)更強(qiáng),燃燒溫度更高,未燃盡的煤粉沖刷水冷壁,從而形成局部更強(qiáng)的還原性氣氛,高濃度的H2S和SO2[15]。

該鍋爐水冷壁處在爐膛區(qū)的強(qiáng)還原性氣氛中,它的腐蝕主要是硫腐蝕為主。

H2S+FeO→Fe7S8+H2O

H2S+Fe2O3→Fe7S8+H2O

同時(shí),高濃度的H2S和SO2在高溫下可生成自由的硫原子

2H2S+SO2→2H2O+[S]

在爐膛區(qū)的強(qiáng)還原性氣氛中,水冷壁溫度達(dá)到623 K時(shí),單獨(dú)的硫原子和Fe發(fā)生硫化作用生成FeS

Fe+[S]→FeS

硫化亞鐵FeS緩慢氧化生成黑色的磁性氧化鐵:

3FeS+5O2→Fe3O4+3SO2

通過上述一系列反應(yīng)可知,腐蝕產(chǎn)物中含有FeS、Fe7S8和Fe3O4等成分,并在反應(yīng)中有SO2氣體產(chǎn)生。而產(chǎn)物中的FeS較疏松,不起保護(hù)作用,因而腐蝕會(huì)一直進(jìn)行下去。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)上述的分析,該鍋爐冷壁向火側(cè)腐蝕嚴(yán)重的原因主要是由于四角切圓燃燒方式和復(fù)合空氣分級(jí)低NOx燃燒系統(tǒng)導(dǎo)致的水冷壁局部高溫和高濃度CO+H2S氣體造成水冷壁高溫腐蝕。鍋爐入爐煤硫份波動(dòng)較大,硫份超過設(shè)計(jì)值較多,進(jìn)一步加劇了水冷壁高溫腐蝕。

針對(duì)該鍋爐水冷壁高溫腐蝕問題,給出以下建議:

(1)控制入爐煤硫份,降低煙氣中的H2S和SO2濃度。

(2)采用側(cè)邊風(fēng)技術(shù),向爐膛內(nèi)通入空氣,降低水冷壁高溫腐蝕區(qū)域的還原性氣氛濃度,增加局部含氧量。

(3)對(duì)高溫腐蝕嚴(yán)重區(qū)域的水冷壁管進(jìn)行防高溫腐蝕噴涂,并加強(qiáng)噴涂質(zhì)量控制,確保噴涂質(zhì)量;噴涂后定期開展噴涂膜厚度檢查,及時(shí)修補(bǔ)。