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空气预热器蓄热元件腐蚀原因分析

2011-6-27 17:12| 发布者: wangxiaoling| 查看: 5116| 评论: 0

摘要: 郑坊平,崔雄华,秦承鹏,王弘喆,唐丽英 (西安热工研究院有限公司,西安 710032) 摘 要:通过宏观检验、化学成分分析、金相检验、硬度测试、扫描电镜分析、能谱分析以及X射线衍射分析等方法,对某厂600MW亚临界锅 ...

郑坊平,崔雄华,秦承鹏,王弘喆,唐丽英

(西安热工研究院有限公司,西安 710032

  :通过宏观检验、化学成分分析、金相检验、硬度测试、扫描电镜分析、能谱分析以及X射线衍射分析等方法,对某厂600MW亚临界锅炉空气预热器冷端蓄热元件的腐蚀原因进行了分析。结果表明:该蓄热元件的腐蚀为烟气中SO2/SO3气体作用下发生的低温腐蚀。并针对蓄热元件的腐蚀原因提出了预防措施。

关键词:空气预热器;蓄热元件;低温腐蚀;耐候钢

中图分类号YK223.3    文献标志码B    文章编号1001-4012201105-0299-05

 

空气预热器是电厂锅炉的重要组成部分,是利用锅炉尾部的烟气热来加热燃烧用空气的一种热交换装置。它不仅可以降低排烟温度,提高锅炉效率,还由于空气的预热改善了燃料的着火和燃烧过程,从而减少了燃料的不完全燃烧,进一步提高了锅炉效率。近年来,空气预热器由于堵灰及腐蚀等原因时有事故发生,严重影响了其正常运行[1-2]。某电厂600MW亚临界锅炉配置两台三分仓容克式空气预热器,预热器设计进、出口风温分别为25314℃,进、出口烟温分别为369120℃,当运行超过8 000h时检查发现空气预热器冷端蓄热元件发生明显腐蚀,严重影响了锅炉出力。该空气预热器冷端蓄热元件的材料为09OCuCrNiA耐候结构钢(新牌号为Q355GNH),钢板厚度为0.8mm。为查找该空气预热器冷端蓄热元件的腐蚀原因,笔者对其进行了理化检验分析。

1 理化检验

1.1 宏观检验

空气预热器冷端蓄热元件发生腐蚀的现场形貌如图1所示,空间其分别接触空气和烟气的两侧均已发生明显的腐蚀破坏,表面存在锈层、垢层和积灰,且端部存在卷曲和脱落的腐蚀残片。用于理化检验的四块试样(分别编号为1~4号)的宏观形貌如图2所示,可见四块试样的表面形貌基本一致;另外在现场取样时发现试样表面积灰均较严重,在取样过程中积灰已脱落;试样表面有两种颜色,其中黄色为锈层,灰色为表面垢层,垢层有一定厚度,剥落后呈现黄色锈层。

1.2 化学成分分析

1号试样经弱酸超声波清洗直至表面完全显示金属光泽后,加工成粉末样进行化学成分分析,结果见表1。可见除磷元素含量略低于GB/T 4171-2008[3]09PCuCrNiA钢的技术要求外,其余元素含量均满足标准要求,但依据GB/T 222-2006[4]考虑磷元素的上偏差0.01%后。磷元素的含量也符合标准要求。

 

1.3 金相检验

24号试样上加工横截面金相试样,依据DL/T 884-2004[5]GB/T 6394-2002[6]GB/T 10561-2005[7]在光学显微镜下分别进行试样的显微组织评定、晶粒度级别评定和非金属夹杂物含量评定。

由图34可见,2号试样的非金属夹杂物含量为A0.5D1.5,符合GB/T 4171-2008对该类钢的非金属夹杂物含量需满足A2.5D2.0的要求;两试样的显微组织均为铁素体+少量碳化物,其中4号试样的碳化物含量高于2号试样的碳化物含量,通常此类钢的显微组织为铁素体+珠光体,但没有相关标准对该类钢的显微组织作出规定要求;两试样均为混晶组织,晶粒度970%1130%,符合GB/T 4171-2008对该类钢规定的“晶粒度应不小于7级,不均匀性应在三个相邻级别范围内”的要求;2号试样的中部及边缘均存在明显的腐蚀裂纹及腐蚀缺口,4号试样边缘也存在明显的腐蚀缺口。

1.4 硬度测试

依据GB/T 4340.1-1999[8]分别在24号金相试样上进行小负荷维氏硬度试验,所用仪器为HVS-50型数显维氏硬度计,载荷49N,保荷时间10s,结果见表2GB/T 4171-2008对该钢的硬度未作规定,对其抗拉强度要求为490~630MPa,依据GB/T 1172-1999[9]换算成硬度要求为143~187HV,由此可见,4号试样的硬度正常,2号试样的硬度明显偏高,这可能与蓄热元件板材的加工制造工艺有关。

1.5 扫描电镜分析

采用扫描电子显微镜对2~4号试样的垢层、锈层及腐蚀缺口进行微观形貌观察,结果见图5~7。可见2号试样表面存在较厚的垢层,垢层底部存在较明显的腐蚀缺口,缺口处的腐蚀产物较疏松,且大多数已开裂,这将促使腐蚀过程的深入发展;34号试样的表面锈层略呈现小浅坑、疏松及开裂等腐蚀迹象,垢层则呈网状开裂。

1.6 能谱分析

采用扫描电子显微镜和能谱仪对试样表面的锈层及垢层(图6~8所标注的位置)进行微区成分半定量能谱分析,结果见表34。可见2号试样的锈层和垢层中除含有大量的铁和氧元素外,还存在硫和氯等腐蚀性元素,其中硫含量在1.10%~1.58%,个别位置氯元素含量高达20.04%,这可能与氯元素介质局部浓缩有关;34号试样的锈层中除含有大量的铁和氧元素外,硫含量分别为2.90%3.28%,氯元素含量分别为0.70%0.64%34号试样的垢层中未发现氯元素,但硫元素含量较高,分别为7.90%6.37%

1.7 X射线衍射分析

采用X射线衍射仪对34号试样表面的锈层(块样)和垢层(粉末样)进行物相结构分析,光靶为Cu-Ka,管电压为40kV,管电流为100mA,可调特征波长为0.154 18mm。结果见表5,可见垢层以硫酸盐为主,含量达59%;锈层以α-FeOOH为主,同时存在20%~30%FeS2

2    分析与讨论

耐候钢是通过添加少量合金元素使其在大气中具有比普通碳素钢更优良的耐腐蚀性能的一种低合金钢,其中09PCuCrNiA耐候钢(新牌号为Q355GNH)已广泛应用于桥梁、建筑和空气预热器等需要耐大气腐蚀的环境中。耐候钢相对于普通碳素钢具有较好的耐大气腐蚀性,是由于在大气腐蚀条件下,其表面的疏松腐蚀产物层和金属基体之间能够形成一层致密、连续的α-FeOOH产物层。由上述理化检验结果可知,该空气预热器冷端蓄热元件腐蚀明显,有向金属基体深入扩展腐蚀的痕迹;蓄热元件材料的显微组织不是该类钢的典型组织,个别位置硬度值明显偏高,这可能与蓄热元件板材的加工制造工艺有关;蓄热元件表面锈层及垢层中存在α-FeOOHFeS2和硫酸盐等物质。

锅炉燃料中或多或少地都含有硫,当燃用含硫量较高的燃料时,其中的硫分在燃烧后,大部分变成SO2,在一定条件下其中的少部分还会进一步氧化成S02,在一定条件下其中的少部分还会进一步氧化成SO3气体。SO3气体与水蒸气能结合成硫酸蒸汽,其露点(凝结温度)高达120℃以上,露点温度越高,烟气含酸量越大,腐蚀堵灰也将越严重。当空气预热器金属温度低于所生成的硫酸露点时,硫酸就会在部件表面上凝结而产生低温腐蚀。硫酸象一层胶膜,一面粘在部件上腐蚀,另一面则不断粘着烟灰,形成多种硫酸盐,并逐渐增厚,这就是低温式结渣。金属壁面被腐蚀的程度取决于硫酸凝结量的多少、浓度的大小以及金属壁面温度的高低。空气预热器发生低温腐蚀和积灰的原因通常是由于烟气中存在的SO3及空气预热器的金属壁温低于烟气酸露点。低温腐蚀和积灰有着互相促进的关系,因为腐蚀层或积灰都将使传热作用减弱,导致金属壁温降低,反过来又加剧了腐蚀和积灰的进程,而且部件上的积灰吸收SO3,也会加速腐蚀作用[10]。积灰和腐蚀首先发生在逆流式空气预热器冷端(进风口一侧)的金属表面上,原因是此处为低温空气与低温烟气的热交换处,其金属温度较低,所以腐蚀和堵灰往往从管子冷端逐渐向热端延伸,且多积聚在烟气流速较低的四周死角。当锅炉启停频繁而积灰结渣又没有得到及时清除时,腐蚀和积灰的速度必然加快。

通常,燃料中的硫含量与酸露点有如图9所示的曲线关系[10],可见只要烟气中含有少量的硫,硫酸蒸汽的露点即可达110℃以上。电厂提供资料显示,2009年全年煤质平均含硫量为1.54%(质量分数),则由图9可知,该条件下的酸露点在130℃以上;空气预热器的排烟温度大多在110~130℃,而冷端蓄热元件的温度在冷端烟温和风温间波动,因此冷端蓄热元件在工作状态下的平均温度会低于该酸露点,这就容易导致其发生低温腐蚀。

综上所述,由于该空气预热器的运行工况中存在排烟温度低于硫酸蒸汽露点的情况,且其腐蚀产物主要是硫酸盐,因此其冷端蓄热元件的腐蚀属于在烟气中SO2/SO3气体作用下发生的低温腐蚀。

3    结论及建议

空气预热器冷端蓄热元件的腐蚀属于烟气中SO2/SO3气体作用下发生的低温腐蚀。建议使用耐低温腐蚀性能更好的材料,并严格执行空气预热器的吹灰制度,控制煤质中的硫含量。

 

参考文献:

[1]张林,李阳春.空预器堵灰的原因分析及处理措施[J].热力发电,2008,37(10):43-45.

[2]李同庆.20t/h焦炉煤气锅炉空预器低温腐蚀堵塞的改造[J].机械管理开发,2008,24(2):94-96.

[3]GB/T 4171-2008 耐候结构钢[S].

[4]GB/T 222-2006 钢的成品化学成分允许偏差[S].

[5]DL/T 884-2004 火电厂金相检验与评定技术导则[S].

[6]GB/T 6394-2202 金属平均晶粒度测定法[S].

[7]GB/T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验方法[S].

[8]GB/T 4340.1-1999 金属维氏硬度实验 第一部分试验方法[S]

[9]GB/T 1172-1999 黑色金属硬度强度换算值[S].

[10]李彦林.锅炉热管失效分析及预防[M].北京:中国电力出版社,2005:208-215.


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