大型电站锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析与控制王秀军

大型电站锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析与控制王秀军

王秀军

（国电科学技术研究院江苏南京210046）

摘要：针对大型电站锅炉存在水冷壁高温腐蚀现象，阐述了高温腐蚀形成的机理，分析了在实际运行条件中水冷壁受热面产生高温腐蚀的原因，并提出了控制水冷壁高温腐蚀的技术措施。

关键词：水冷壁；高温腐蚀;控制

1前言

作为大型电站锅炉安全运行的重要一环，对水冷壁高温腐蚀原因的分析与控制的研究有着极其重要的作用。

2高温腐蚀形成的机理

高温腐蚀主要与煤质成分、水冷壁附近的温度、气体成分、煤粒（及燃烧后产生的灰粒）的运动状态有关。按其机理可分为两大类：硫化物（H2S，SO2）型腐蚀和硫酸盐（M2SO4）型腐蚀。由于燃煤中含有的硫（S）和氢（H）等物质，在燃烧过程中发生反应生成硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）等物质，高温下的硫化氢（H2S）对铁质材料有很强的腐蚀性；而三氧化硫（SO3）则会破坏金属管壁上的氧化保护层（Fe2O3），进一步加剧高温腐蚀。

多年的研究表明，前后墙对冲燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀通常发生在两侧墙，两侧墙水冷壁长期受到高温烟气的冲刷，煤粉贴壁燃烧，导致水冷壁壁面温度升高，还原性气氛浓度升高，从而造成了水冷壁的高温腐蚀。

3燃煤特性方面

3.1燃煤品质的影响

燃煤品质差是水冷壁高温腐蚀的内因条件，燃煤中高含量的硫元素和氯元素是硫化物型和氯化物型高温腐蚀的根源。燃煤中的硫、碱金属及其氧化物的含量越高，腐蚀性介质浓度越大，出现高温腐蚀的可能性就越大。高硫煤产生的大量H2S、SO2、SO3和原子硫不仅破坏管壁的Fe2O保护膜，而且还浸蚀管子表面，致使金属管壁不断减薄，最终导致爆管事故。

3.2煤种的影响

燃用不易着火的无烟煤和贫煤时，由于着火温度相对较高，着火延迟，火焰拖长，燃烧不完全，较易在金属管壁区域形成还原性气氛，从而导致高温腐蚀。

3.3煤粉细度的影响

煤粉细度对高温腐蚀的影响也较为明显。一方面，若煤粉越粗，则燃尽越困难，因而火焰拖长，进一步燃烧时，由于缺氧而形成还原性气氛，造成高温腐蚀。另一方面，若煤粉越粗，其动量也越大，容易直接冲刷水冷壁，磨损将加速水冷壁保护膜的破坏，使腐蚀介质直接与管壁金属发生反应，从而加速水冷壁高温腐蚀的过程。

4燃烧设备方面

在工程实践中，为解决锅炉水冷壁高温腐蚀的问题，除一部分通过燃烧调整外，大部分都通过对燃烧设备的改造来解决高温腐蚀问题。这说明固有的不合理的燃烧设备是造成锅炉水冷壁高温腐蚀的一个重要因素。

4.1不合理设计的影响

燃烧器的设计涉及到多方面的因素，如着火、稳燃、寿命、结构等等。设计一个合理的燃烧器的技术关键在于：保证煤粉气流稳定，及时着火，强烈的气粉间的湍流混合以及焦炭的充分燃尽。对于四角切圆燃烧的直流燃烧器来说，在设计时，若存在不合理的燃烧器高宽比，假想切圆直径过大，射流两侧补气条件的差异都将会引发锅炉水冷壁的高温腐蚀。

燃烧器的高宽比（h/b）是反映气流抗偏转能力的重要结构特征参数。h/b越大，则射流的“刚性”越差，受上游气流的影响，容易造成一次风射流的偏斜，甚至直接冲刷水冷壁。一方面，未燃尽的煤粉颗粒近壁缺氧燃烧，造成还原性气氛。同时，近壁燃烧使水冷壁管壁温度上升；另一方面，磨损水冷壁，破坏了水冷壁管的氧化膜，使腐蚀介质直接与管壁金属发生腐蚀反应。

4.2安装误差的影响

燃烧器与锅炉本体安装时应避免误差的积累，在允许误差范围内，应使误差分散。这样就可以避免某一点或某一角因误差积累与实际尺寸偏差太大，造成射流偏斜或切圆偏斜，从而影响炉内燃烧工况，形成高温腐蚀。

5炉内燃烧工况方面

5.1还原性气氛的影响

还原性气氛是由于煤粉在炉膛内缺氧燃烧形成的，其对锅炉水冷壁的腐蚀影响非常大。一方面，它可以渗透到水冷壁的氧化膜中，并发生反应，生成疏松多孔的FeO，而FeO是吸附腐蚀介质的理想载体，从而加速腐蚀的进程；另一方面，它对腐蚀性气体的生成起促进作用。

研究表明，烟气中的CO浓度越大，高温腐蚀就越严重；H2S的浓度大于0.01%时，就会对钢材产生强烈的腐蚀作用。而当含氧量大于2%时，就基本不会产生高温腐蚀。

5.2煤粉贴壁燃烧的影响

如果炉内空气动力场不理想，造成一次风偏斜或切圆偏斜，很容易产生煤粉贴壁燃烧现象。煤粉贴壁燃烧很容易造成水冷壁高温腐蚀。贴壁燃烧使局部水冷壁管壁温度急剧上升，为高温腐蚀创造了良好的管壁温度条件。同时，贴壁燃烧产生的气流直接冲刷水冷壁管，破坏水冷壁管的保护膜，使腐蚀产物不断脱落，进而加速了腐蚀的进程。

5.3水冷壁管壁温度条件的影响

水冷壁管壁温度条件对腐蚀速度影响很大。一般认为，腐蚀速度与壁温成指数关系。

6运行因素方面

6.1给水品质的影响

给水品质对锅炉高温腐蚀的影响主要体现在水冷壁的管壁温度条件上。若给水品质控制不严，很容易造成水冷壁管内结垢，这样就会增加管壁的热阻，阻碍热量的传递，从而使管壁温度上升，加速高温腐蚀的进程。因此运行时应严格控制锅炉的给水品质。

6.2煤粉细度控制不严的影响

煤粉细度对高温腐蚀的影响在上面己经介绍过了，这里主要介绍一下由于运行不当造成煤粉细度控制不严的原因。锅炉的制粉系统是针对设计煤种设计的，当燃用劣质煤时，会加大制粉系统的负担，但制粉系统的分离效率下降，导致煤粉颗粒变粗.煤粉细度对高温腐蚀的影响很大，煤粉颗粒太粗将导致火矩拖长，同时影响煤粉的燃尽，使未燃尽煤粉颗粒聚集在水冷壁附近，加剧高温腐蚀。

煤粉粗的原因主要有两个，一是运行现场对控制煤粉细度的重要性认识不足，二是由于实用煤质偏离设计煤质太大，煤质变差时制粉系统出力紧张，现场人员往往将煤粉调粗以满足制粉系统的需要。

6.3配风不当的影响

配风不当对锅炉水冷壁高温腐蚀的影响有两方面：一方面是送风不足，使炉内缺氧，形成还原性气氛，影响水冷壁的高温腐蚀；另一方面是形成不良的炉内的空气动力场，造成一次风或切圆偏斜，从而使未燃尽的煤粉颗粒磨损水冷壁以及贴壁燃烧，加速高温腐蚀的进程。影响锅炉水冷壁高温腐蚀的因素是多方面的，而且各方面的因素有着互相关联的关系，因此应综合加以考虑。

7提高水冷壁抗腐蚀能力的对策

造成水冷壁严重腐蚀的主要原因是由于烟气中的强烈还原气氛和较高的近壁面温度，因此可采用表面防护方法来削弱还原气氛,同时提高水冷壁的材料等级来增强抗腐蚀能力。

7.1进行水冷壁表面防护

表面防护法,通常采用热喷涂方法喷涂高Cr、Ni材料。可预选几种表面防护工艺和防护材料，在水冷壁腐蚀区域进行分片块实施，通过实际验证进行筛选和评价，如有切实效果，可进一步试验优化直至全面应用。

7.2提高水冷壁材料等级

由于水冷壁管屏安装时不可避免地存在现场安装焊缝，这些现场安装焊缝基本上没有条件和方法进行焊后热处理。因此选择更换材料时既要考虑材料的抗高温抗腐蚀能力，又要考虑材料的焊接性能。

8结束语

综上所述，加强对大型电站锅炉水冷壁高温腐蚀原因与控制问题的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的水冷壁高温腐蚀控制过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。

参考文献：

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[3]吴广君.实验室模拟锅炉水冷壁高温腐蚀的热分析动力学研究.浙江大学硕士学位论文.2016（09）：88-89.