锅炉水冷壁区域高温腐蚀及横向裂纹原因及对策分析

2022-12-17韩家才

新型工业化 2022年4期

关键词：水冷壁结垢裂纹

韩家才

天津市特种设备监督检验技术研究院，天津，300050

0 引言

1 锅炉水冷壁区域高温腐蚀原因及其预防对策

1.1 高温腐蚀的原因

锅炉水冷壁烟气一侧高温腐蚀过程是相对复杂的，一般情况下，认为导致锅炉水冷壁高温腐蚀的因素主要有以下几点：

第一，燃煤含硫量较高，其主要作用于水冷壁外管。

第二，锅炉内含有可燃物的煤粉火焰对锅炉水冷壁外管面直接产生冲刷。

第三，水冷壁长时间处于还原性气氛环境中，产生氧化还原反应。

第四，水冷壁所处的环境中煤含硫量较高，水冷壁外部沉积物化学构成也容易造成高温腐蚀产生。

第五，水冷壁外部因为长期受到含有大量未燃烬煤粉火焰的冲刷，导致硫化亚铁和煤粉颗粒一起附着在壁管上，在炉内催化作用下，形成原子S和SO3，对水冷壁造成高温腐蚀[3]。

第六，在锅炉缺氧环境下，水冷壁面附近还原性气体中的H2S与CO浓度较大的情况下，会导致水冷壁出现高温腐蚀现象。相关研究数据显示，处于还原性环境中，烟气中H2S的浓度超过0.01%时，会导致钢材的腐蚀作用加大，尤其是在300℃～500℃情况下，腐蚀性进一步增强。

黑龙江省超前完成全面建立河长制目标，启动“一河一策”方案编制工作。印发水资源“双控行动”实施方案和工作方案，制定乌裕尔河、讷谟尔河、双阳河、牡丹江4条跨市江河流域水量分配方案。开展取水许可权限下放，明确职能承接要求。加强农业灌溉取水许可管理。制定地下水压采方案，出台农业水价综合改革实施计划，完成年度县域节水型社会建设任务，修订《用水定额》地方标准，部分调整水资源费和水土保持补偿费征收标准。制定水功能区、入河排污口监督管理办法实施细则。印发重要饮用水水源地安全保障达标规划，各地制定重要饮用水源地突发事件应急预案。

1.2 高温腐蚀防治对策

针对以燃煤为主要能源消耗的电厂锅炉来说，煤质具有含硫量高的特性，所以，针对这类锅炉水冷壁的高温腐蚀问题，需要采取具有一定针对性的预防和防治措施：

第一，要合理选择热力参数以及炉膛结构参数，确保炉膛出口温度适宜。一般来说，要选择合理的边排燃烧器到侧水冷壁距离，下排燃烧器到冷灰斗拐点距离，能够避免火焰对水冷壁外壁的直接冲刷，这样可以减少炉膛水冷壁结渣以及高温腐蚀问题的发生[4]。此外，还要选择合理的上排燃烧器到屏底的距离，将屏底的烟温控制在合理水平，防止高温腐蚀。

第二，科学设置内管参数，强化工质侧传热现象，还要降低水冷壁管表面温度水平，减少高温腐蚀现象发生。

第三，在燃烬风选择上，可以选择双气流结构以及相关布置形式，燃烬风封口一般有两股气流，即中央部位气流，这种气流能够直接穿透进入炉膛中心位置，补充燃烬中需要的空气，边部风是旋转气流，容易在水冷壁表面形成氧化环境，这样可以防止煤粉颗粒对水冷壁的冲刷作用[5]。在燃烬风口要进一步优化相应的布置形式，让燃烬风沿着炉宽方向覆盖一次风，避免粉煤颗粒出现逃逸情况，这样也可以避免燃烧器区域接近两边墙体的位置出现高温腐蚀现象。一般可以在燃烬风布置中，靠近侧墙位置布置最佳，这样就可以形成一个局部的低温风屏，对于火焰冲刷作用能够形成一个屏障，有效保护水冷壁不受火焰冲刷。

第四，进一步调整燃烧器脱战锥的角度，避免锅炉火焰过早地扩散造成对于水冷壁的冲刷。

第五，采取上述措施还不能完全避免水冷壁高温腐蚀现象的出现，可以尝试使用在水冷壁和高温受热面进行抗腐蚀喷涂，喷涂处理一次性投资会比较大，但是能够防止因为腐蚀导致的壁管变薄以及换管情况，这对于锅炉的长期有效运营效益实现也是有利的。

2 水冷壁横向裂纹原因及防治对策

2.1 横向裂纹原因

电厂锅炉运行中，导致水冷壁出现横向裂纹的因素比较多，在国内大容量机组中，很多直流锅炉都出现过横向裂纹引发的泄漏事故。因为负荷变化导致水冷壁的壁温出现波动，由此产生交变热应力，这是锅炉自然循环中常见的现象[6]。所以，对于锅炉特征以及相关运行情况，需要做好分析，把握导致横向裂纹的具体原因，才能够采取针对性的预防和防治措施。

2.1.1 水冷壁管失效特征

导致锅炉受热面管子失效的因素较多，材料方面、温度方面、应力作用、环境因素等，不同因素导致的损坏也是不一样的，对应的机理也是不同的。所以，需要对于水冷壁管失效形式进行准确判断。从锅炉水冷壁裂纹管的外形来看，裂纹泄漏位置的破口并不大，管段也不会有明显的胀粗情况，所以管壁的减薄量较小。针对炉内水冷壁外观检查可以看出，在燃烧器周围水冷壁管子外壁上，存在厚度约为1mm的氧化皮，这是锅炉在运行中，因为燃烧切圆过大或倾斜导致的火焰贴壁导致的。不过，在右侧水冷壁裂纹泄漏位置并没有出现氧化皮现象。在开展金相检查后发现，裂纹管向火位置的内外壁都有碳化物聚集，其中包含碳素体聚集和石墨析出导致的球化现象。所以，可以判断水冷管失效并不是短期超温导致的。

通过肉眼观察，裂纹管向火侧内壁上出现了很多垂直于管子轴线的环向裂纹，这种裂纹呈现缝隙状，管子内壁上也有很多细小的裂纹。这种裂纹主要是因为交变热应力导致的热疲劳裂纹[7]。

2.1.2 结垢

针对出现横向裂纹的水冷壁壁管进行检查，发现在水冷壁内壁中，结垢的情况比较突出。在CE公司规定中，结垢量超过15mg/cm2属于中等结垢，结垢量超过40mg/cm2属于严重结垢现象。通过对相关电厂的锅炉水冷壁结垢现象进行调查分析，发现水冷壁内壁结垢物质中，含铁量比较高，氧化铜含量也超标，磷酸盐成分较低。结合相关试样情况分析，这种管内结垢已经属于严重情况了。在检查的样本馆内，不仅有坑蚀，一些位置的内螺纹已经完全被腐蚀了。相对而言，背火侧管的内壁更加干净，结垢现象几乎没有[8]。就这类锅炉水冷壁其他部位的切割和检查结果来看，不同位置管子的结垢程度是有一定差异的。研究发现，水冷壁的管道结垢后出现的水冷壁管金相组织结构的分裂。可见，水垢的产生导致管道金相组织出现很多裂缝，这些污垢不断腐蚀管道，日积月累，导致水冷壁最终爆管，产生泄漏。相对而言，水垢的导热系数相对水管是比较低的，一般为金属导管导热系数的几十分之一，因为水垢的存在，会导致水冷壁的导热系数大大降低，也会造成管壁温度的快速上升，而且水垢在相应状态下，因为电化学作用，可能产生微电池效应，如果给水中含有大量的铁离子、铜离子时，就会加重结垢现象，进而产生对管道的腐蚀作用。

通过对某电厂的锅炉水冷壁泄漏管样本的分析调查发现，水冷壁管子横向裂纹和垢下腐蚀关系较大。要是酸洗不能及时进行，水冷壁结垢情况会进一步加重。可见，水冷壁结垢和热负荷之间是线性关系，一般区域热负荷情况越高，水冷壁管子的内壁结垢情况也会越严重，由此产生的腐蚀情况也会越严重。

2.2 水冷壁横向裂纹防治对策

针对水冷壁横向裂纹进行防治，需要采取正确的防治方法，这对于减少水冷壁泄漏问题、延长水冷壁使用期限都具有重要作用。所以，针对水冷壁横向裂纹，应该采取的措施包括以下几点：

第一，在锅炉工作的过程中，要做好质量监控工作，尤其是对汽包水位进行密切监督，及时调整异常现象，确保水位的稳定。对于炉内的热负荷要做好妥善的分配处理，确保热负荷平衡均匀分布，避免火焰偏斜的现象发生。如果锅炉内的给水温度出现下降情况，此时需要对总燃烧量进行控制，杜绝低强带负荷出现造成水冷壁管破裂。

第二，进行化学制水时，对于相关的化学制水工序、设备、器材等进行严密的监察，及时关注相关参数，确保每一个环节的制水都能符合质量要求，对于一些装置进行定期检查和更换，确保制作效果，例如，针对化学除氧的乙醛装置需进行有效检查，必要时实施更换，确保除氧达标。

第三，要针对汽轮机的凝汽器真空装置进行检查，确保真空系统的密封性完好无损，防止因为泄露产生的锅炉给水污染，对于凝结水的水质要进行化验处理，及时掌握水质异常的环节，以便针对性地采取补救措施。

第四，在锅炉开始启动后，要对锅炉炉内的温度、气压等进行严格控制，确保温度和气压都能稳步缓慢提升，避免出现快速升温和升压现象出现，这需要在进行开始的炉内上水时，就严格对水文和汽包上下壁温差进行控制。

第五，在停炉以前，要减少燃烧量，把握好减负荷的速度，对于炉内的水温、气压等情况进行密切的关注和监察，及时发现异常现象，并能快速响应。

第六，锅炉水冷壁管爆管的原因中，腐蚀也是最常见的原因之一，因此，需要针对锅炉的水冷壁管腐蚀问题，制定相应的防腐蚀方案，对于可能出现的腐蚀现象进行严密监察和管控。结垢导致管道腐蚀的重要因素之一，在水冷壁运行中，发现大部分的污垢的主要成分是盐类，针对这类污垢进行防治，可以通过酸洗的方式来实现，这种防垢方法在管壳式换热器中也比较常见。可以使用有机酸和无机酸作为主要酸洗溶液，其中，有机酸常见的有甲酸、草酸等；无机酸包含盐酸、硝酸等。实施酸洗处理中，需要对照换热器主要结垢以及工艺等情况，针对换热器材质以及污垢成分分析后，选择适宜的酸洗溶液来进行酸洗除垢，还需要注意相关酸洗溶液对管道的腐蚀情况。这种防垢技术以化学原理为基础，其中包含了溶解作用、剥离作用、疏松作用。目前，相关技术不断改进，锅炉水冷壁防垢方法也在不断优化和改善，新技术、新方法越来越多，如，磁场除垢、高压静电及高频电磁场防垢、声学防垢等新方法都得到了不同程度的应用。在锅炉生产企业中，一般多选用化学防垢技术，上述提到的几种就是化学防垢技术。但是考虑到化学防垢处理一般成本比较高，且容易导致换热设备和管道的腐蚀，所以应用范围也有一定限制。

第七，要重点开展对炉水的监控工作，确保锅炉启动前的水做好了除盐和除氧处理，在点炉后，如果发现水质浑浊或者蒸汽不达标，也要加大排污次数和量，确保不合格的水能够通过排污处理快速被排除系统外。此外，为了加固水冷壁管质量，还可以定期对水冷壁管进行超音速电弧喷涂。

第八，做好锅炉水冷壁的质量和安全检查和管理工作。重点检查热力公司的锅炉、水冷壁、压力容器、压力管道等各类特种设备使用登记证照是否在检验有效期内；安全附件是否配备齐全；安全管理人员和作业人员是否具备有效证件。查看锅炉操作人员持证上岗情况；锅炉相关运行、交接班和维护保养记录；安全管理制度建立情况；应急预案流程等。在检查过程中，执法人员要求严格落实特种设备安全主体责任，进一步增强安全生产的紧迫感和责任感，加大对各项安全措施的监督和管理力度，针对锅炉水冷壁故障问题提高重视，在检查中强化对锅炉水冷壁的检测工作，避免水冷壁区域高温腐蚀问题能够缓解，及时清理管道内的结垢问题，做好预防结垢现象等工作，要时刻绷紧“安全”这根弦，积极开展自查自纠，排查生产安全隐患，做到及早发现，及时处置，确保供热系统安全运转。