火力发电厂给水加热器劣化机理研究

杨耀忠

摘 要：本文首先对电厂给水加热器的破坏机理进行了概括性介绍，然后对给水加热器的基本结构、功能与相关运行方式进行了简要介绍，最后对给水加热器破损的检测方法及修补方式进行了介绍。本文结论可作为电厂运行人员在监测给水加热器时的依据，预防给水加热器事故发生。

关键词：给水加热器；冲刷腐蚀；可靠度分析；劣化机理

中图分类号：TM93文献标识码：A

在电厂中，给水加热器又称回热加热器，其利用汽轮机中间的抽汽对给水进行预热，使给水升温至某一特定温度，在送入锅炉加热产生高温高压蒸汽推动汽轮机做功，该方法能有效提高蒸汽的产生效率和能源利用效率。

按照给水加热器所承受的压力，可将其分为高压给水加热器和低压给水加热器；如果按照热交换的方式来分，又可分为开放式给水加热器和封闭式给水加热器。在开放式给水加热器中，给水与蒸汽在给水加热器中混合，直接进行热交换。而封闭式给水加热器则通过换热管与蒸汽进行间接热交换。由于给水加热器的设计功能不同，故其运行条件与管壳厚度等参数也存在差异。给水加热器的运行过程大致如下：高压蒸汽由抽汽入口进入壳侧，进行热交换后由冷凝水出口流出。给水加热器壳侧一般采用碳钢材料，在其抽汽入口处有一块防止冲击的不锈钢板，其目的是避免高压蒸汽直接冲击管侧，造成管侧局部冲蚀现象。由于高压蒸汽会凝结成水滴，而水滴以高速撞击缓冲板后反弹至给水加热器壳侧，常造成壳侧局部产生冲刷腐蚀现象。

1 冲刷腐蚀现象

给水加热器的作用是从汽轮机抽汽至给水加热器壳侧内，通过换热管与给水进行热交换，达到提升给水温度的目的。为了避免抽汽直接接触换热管，在结构设计上，常在蒸汽入口下方放置冲击挡板，但却因此造成了壳侧的冲刷腐蚀现象，由于冲刷腐蚀作用，导致给水加热器壳侧变薄。冲刷腐蚀是一个无法避免的问题，给工业界造成很大困扰。从以往观察及试验 结果观察，冲刷腐蚀所造成的材料磨损可分为机械性冲蚀的扩散现象及化学腐蚀的溶解相互作用，也成为流动加速腐蚀现象。

在一般的碳钢材料管路中，管壁会因流体而形成一层氧化层，此氧化层的厚度与管壁材料及流体的化学性质有关，此作用称为腐蚀。此时，如果管路中的流体处于静滞状态，只要外界环境不变，则氧化造成的腐蚀层最终会随时间渐渐达到饱和，其厚度不在增加。这时的氧化层会对管壁起保护作用，隔绝管壁与流体的接触。但如果有其他机械力与溶解效应作用于氧化层，就会造成氧化层脱落，导致氧化层变薄。此作用称为冲蚀。氧化层厚度减少后，管壁又与流体接触形成氧化层，如此周而复始的循环，最后将造成管壁薄化破裂。

2 给水加热器的劣化机理

造成壳侧管壁变薄的主要机理有两种，其一为腐蚀产物的溶解与传递机制，管壁在水中所生成的氧化物会因水的化学特性而自然溶解于管壁与水界面。第二种则为因液态小水滴不断冲击造成，在高压系统中，水滴以高速冲击管壁腐蚀氧化层，进而造成管壁薄化现象。

在给水加热器的设计上，为了避免抽入的蒸汽直接冲击到给水流经的热交换管，常在蒸汽入口处设置冲击挡板，以保护热交换管路，但此挡板会将蒸汽中夹带的水滴反弹，使水滴高速冲击壳侧，在这种现象的连续作用下，使得给水加热器壳侧发生冲刷腐蚀现象。以给水加热器的流动状态而言，属于高压干蒸汽的液滴流系统，故造成管壁薄化的主要机理为液滴冲击造成的。

3 无损检测与薄化定量评估

无损检测技术可分为视检法、表面检测及整体检测等方法。给水加热器壳侧的检测为整体检测，主要以超声检测和电涡流检测两种检测为主，以目视检测为辅。在电厂中，以超声检测为主要检测方式，然而超声检测的误差，根据国内外经验可达到5%以上。因此如何从检测数据中合理计算出检测薄化率是评估过程中必须详加考虑的重点。

目前国内电厂在给水加热器检测方法上根据EPRI提出的由检测人员在被测件表面划上网格线，检测人员在网格交叉线点处，利用超声检测仪，测量改点的厚度。给水加热器壳侧检测范围与网格大小，基本上采用EPRI所建议的值，但为了更加精确，在给水加热器周向的检测范围增加到左右各180°，也就是周向360°全部检测。其比EPRI建议的检测范围大许多，因此也增加了不少大修时检测的工作量。

根据EPRI提出的根据壁厚的超声检测数据评估薄化量及薄化率有四种方法，分别为：点对点比较法，环状法，区域法和移动区域分析法。总的来说上述各种数据评估方法，各有其适用的条件和时间，其中对于首次检测的直管构建，因为没有其他时间点的检测数据，故以环状法较为合适。

4 壳侧修补方法介绍

给水加热器在经过检测评估后，若发现有薄化现象，则应进行不同程度的修补，可分为暂时修补和永久性修补。若发现有薄化现象发生，但离停机大修仍有一段时间，则进行暂时性修补，其修补方式大致为：在给水加热器壳侧薄化最严重的部分，以碳钢材料制造金属罩子，焊接在薄化部分，以防止在电厂正常运行时期，给水加热器壳侧破裂導致高压蒸汽冲出造成意外事件。

如果在大修时发现薄化问题，则应进行永久性修补，但根据给水加热器压力的不同，又可分为两种修补方式，分为高压给水加热器的焊道结合效率为1，且壳体可以拖动，人员可以进入壳体内，该修补的目标可达到设计值。再将不锈钢板进行补焊，补焊后进行无损检测，以确定补焊厚度超过设计值，并且没有裂纹，最后将壳体归位，进行给水增压检测。低压加热器焊道结合效率为0.85，且壳体因固定冷凝器壳壁上，因此人员无法壳体，故只能根据厚度测量值进行修补，在利用全新不锈钢板进行更换，在重新检测厚度。

5 结论

本文通过对给水加热器冲刷腐蚀现象的介绍，阐述了管壁变薄的主要原因，分析给水加热器在运行过程中因液滴撞击造成的壳壁劣化机理。在此基础上对给水加热器壳壁无损检测与薄化定量方法进行了介绍，最后对给水加热器壳侧修补方法进行了介绍，以其提高机组运行维护的效率及有效监测每个给水加热器的目的。