现代大型电站锅炉水冷壁管高温腐蚀的预防与综合治理

现代大型电站锅炉水冷壁管高温腐蚀的预防与综合治理

吴海

（安徽淮南平圩发电有限责任公司）

摘要：水冷壁管高温腐蚀对现代大型电站锅炉安全运行产生了较大的影响。通过对水冷壁管高温腐蚀产生的机理和原因进行分析，针对燃煤含硫量高、高负荷区水冷壁管壁温度高、炉膛低氧的燃烧工况等现象，提出了一系列预防和治理方案，经过部分电厂实践证明，能够有效改善水冷壁管的高温腐蚀现象。

关键词：水冷壁高温腐蚀机理原因分析预防治理

1水冷壁管高温腐蚀机理及危害

1.1水冷壁管高温腐蚀的危害

随着现代电站锅炉朝着高功率高参数方向发展，锅炉水冷壁管高温腐蚀问题日益突出。锅炉水冷壁管高温腐蚀和磨损一直是电力系统普遍存在的严重问题，它的直接危害主要表现在以下两个方面：（1）使管壁减薄，据统计一般每年减薄量约为1mm左右，严重的可达3~4mm年，形成严重的安全隐患，增加了电厂的临时性检修和大修工作量，给电厂造成很大的经济损失。（2）发生水冷壁突发性爆管事故，造成紧急停炉抢修，不仅打乱了电厂的正常发电秩序，减少发电量，而且增加了工人劳动强度和额外的检修费用，直接影响企业效益，同时也干扰了地区电网的正常调度。

据不完全统计，国内燃用贫煤、劣质烟煤和含硫量≥1%的大型电站锅炉有80%以上存在不同程度的水冷壁高温腐蚀。大型电站锅炉由于水冷壁高温腐蚀后，管壁减薄、强度降低而引起的爆管停机事故，已成为目前困扰锅炉持续安全稳定运行的技术难题之一。2017年，笔者所在的安徽淮南平圩电厂二期两台640MW超临界机组在大修中相继发现#3、#4锅炉水冷壁管高温腐蚀现象。平电公司二期工程两台超临界发电机组，锅炉型号为HG-1970/25.4-YM7型、一次中间再热、超临界压力直流锅炉，单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、π型布置。锅炉岛为露天布置。设计煤是新集煤，校核煤是平顶山煤。30只低NOX轴向旋流燃烧器采用前后墙布置、对冲燃烧，6台HP1003中速磨煤机配正压直吹制粉系统。2017年在大修中发现两侧墙标高20米至45米处存在不同程度的高温腐蚀现象。设计规格为φ38×6.5mm的水冷壁管，腐蚀严重处壁厚仅为2.8mm，已经减薄3.7mm，远超过减薄换管的标准。如不采取控制措施，近期可能会发生大面积水冷壁爆管事故。为处理此缺陷，#3机组共换管104根，#4机组换管15根，并对两侧墙腐蚀区域水冷壁管进行整体防腐喷涂，同时进行两台锅炉燃烧器改造，花费大量人力财力。后续跟踪观察发现两台锅炉水冷壁管高温腐蚀速率得到明显控制，采取的措施效果理想。

1.2水冷壁管产生高温腐蚀的机理

水冷壁管高温腐蚀和磨损的机理是很复杂的。锅炉运行过程中，炉温可高达1600℃以上，由于燃烧煤中硫及其它有害杂质的存在，水冷壁管普遍遭受高温腐蚀。参与高温腐蚀的危害物有燃烧过程中产生的SO2、SO3、H2S、HC、碱金属盐及钒盐类，是多种化学物在各种温度下共同对管壁进行的复杂的动态腐蚀过程。多年研究表明，大型锅炉水冷壁高温腐蚀大多属于硫化物型高温腐蚀。硫化物型高温腐蚀和磨损主要源于三方面：一是烟气中的硫化氢与管壁金属作用产生的腐蚀，含硫物在金属高温下产生单原子硫，在还原性气氛中，单独的原子硫在管壁温度达到623K时，发生硫化作用：Fe+S→FeS；二是由不可燃硫在高温作用下生成硫酸盐混入灰分熔敷于管壁表面，但不再具有水冷壁管所要求的各种良好的高温机械性能，实际上导致水冷壁管有用壁厚的减薄，从而其有效承载能力和强度不断下降，由此形成腐蚀；三是高温烟气裹着灰分颗粒冲击管壁，烟气的腐蚀和灰分颗粒的冲刷在金属表面交替进行，造成管壁减薄。

简言之，水冷壁管高温腐蚀的机理包括：（1）炉膛高负荷区域，温度高；（2）燃煤的含硫量高，高温条件下与Fe反应；（3）高温区燃料未燃尽产生的CO等气体形成局部还原性气氛；（4）水冷壁管的硫化腐蚀，燃煤中的硫酸盐腐蚀钢管；（5）烟气与灰分颗粒的冲蚀，腐蚀与磨损交替作用产生减薄。

2水冷壁管高温腐蚀原因分析

由以上分析，我们知道了水冷壁管高温腐蚀产生的机理，结合电站锅炉水冷壁管运行的实际环境和工况，我们不难得出其产生高温腐蚀的原因。

2.1炉膛高负荷区域水冷壁管壁温度高

为了满足环保及能耗的要求，现代大型电站锅炉前后都进行了多次燃烧器改造。浓淡型煤粉燃烧器的改造，在降低NOx含量、降低煤耗、提升锅炉效率的同时，使得炉膛温度上升。尤其是高负荷段的燃烧器上方区域，水冷壁管壁温度上升明显，经研究，水冷壁管壁温度每升高50℃，管壁的高温腐蚀速度增加一倍。

2.2燃煤的含硫量高

从水冷壁管高温腐蚀产生机理可知：高硫煤入炉燃烧，煤中的硫和硫化物是形成腐蚀的直接原因；而炉内煤粉燃烧工况则直接影响水冷壁管周围的还原性气氛的生成量，影响管壁的腐蚀速度。

2.3炉内缺氧的燃烧工况

由于燃烧试验不充分或者节约厂用电，部分电站锅炉长期处于低氧或缺氧的燃烧工况，导致煤粉不完全燃烧加剧。烟气中一氧化碳含量增大，炉膛内高温区形成局部还原性气氛，可燃硫及硫化氢等气体含量增高，这样为水冷壁管高温腐蚀提供了基础。

2.4入炉膛燃烧的煤粉颗粒过粗

煤粉颗粒过粗，致使煤粉不完全燃烧加剧，要带满负荷，必须增大给煤量。一方面加大了锅炉的煤耗，另一方面大量未完全燃烧煤粉生成CO，尤其在水冷壁两侧墙聚集，形成局部还原性气氛，加大高温腐蚀速度。与此同时，大颗粒未燃烧煤粉与烟气及飞灰颗粒一同在回流区冲刷水冷壁管，造成水冷壁管腐蚀和磨损加剧。

3水冷壁管高温腐蚀的预防与综合治理

水冷壁管高温腐蚀对电站锅炉安全运行产生了较大的影响，投入了大量人力、物力加强对水冷壁的监测和更换，但是监测未取得任何实质性的效果,换管则将大大增加生产成本和维修费用。只有防患于未然才是最好的办法。分析清楚了水冷壁高温腐蚀的产生原因,就可采用有效的方法来进行预防和治理。

3.1严格控制高负荷段水冷壁管管壁温度。

锅炉进行燃烧器改造后，必须进行完整的燃烧调整试验，包括燃烧器喷口风速、旋流开度特性、配风方式等调节。增加燃烧器及高负荷区域水冷壁管管壁温度测点，运行中加强温度监视，防止超温现象发生。

3.2控制高硫煤入炉燃烧。

高硫煤是引起高温腐蚀的根本原因,可采用燃煤脱硫技术或尽量采用含硫量≤1%的燃煤，从而减缓水冷壁管的高温腐蚀速度。

3.3调整合适的氧量值，合理配风。

加大送风量，严禁缺氧燃烧。定期对氧量进行标定，保证氧量测点的准确性。在正常运行中，提高二次风速，保证煤粉燃烬，避免未燃烬的煤粉产生还原性气氛，腐蚀管壁。

3.4调整适宜的煤粉细度。

通过燃烧调整试验，选择合适的煤粉分离器开度，选取合适的煤粉细度，使煤粉尽可能完全燃烧，避免由于未燃尽的CO等在燃烧器高温区形成局部还原性氛围，加速水冷壁管高温腐蚀。

3.5在水冷壁高温腐蚀区域的两侧墙送入二次风。

在两侧墙水冷壁管的鳍片上开若干小孔，引入二次风，使壁面形成保护膜。这股动量极小的二次风受炉内旋转气流的推动，很自然的在壁面形成一层空气保护膜。一方面它能抑制还原性气氛的产生，另一方面可阻挡煤粉气流冲刷水冷壁产生腐蚀磨损。与此同时，由于保护膜相对炉膛烟气温度来说是一股冷风，可有效降低水冷壁管的管壁温度，从而有效地抑制了水冷壁管的腐蚀。

3.6进行燃烧器技术改造，增加贴翼风和侧翼风喷口。

通过侧翼风和贴翼风喷口，加大两侧墙的二次风风量，使得喷向两侧墙的煤粉得以充分燃烧，减少还原性气体的生成，能够大幅度改善水冷壁管的高温腐蚀现象。目前，平圩电厂二期两台640MW机组已通过燃烧器改造增加了侧翼风和贴翼风喷口，在进行燃烧试验时发现两侧墙还原性气体量大幅减少，后续检修跟踪发现水冷壁高温腐蚀现象大幅改善。

3.7升级高温腐蚀区域的水冷壁管管材，采用抗腐蚀高温合金管。

目前大型电站锅炉水冷壁管大都使用的是#20钢和15CrMo钢，可升级为抗腐蚀耐高温性能更强的T12和T23管。另据有关资料，可采取渗铝管作为水冷壁管，因渗铝管表面可生成Al2O3,的致密保护膜，能有效减缓水冷壁管的高温腐蚀现象。

3.8进行防腐喷涂。

在水冷壁表面喷涂防腐材料，目的是将管材与腐蚀性及还原性气体隔离，避免其直接接触腐蚀。目前使用较多得防护涂层主要是镍铬铝、镍铬钛等合金，使用电弧喷涂工艺进行喷涂。

4结论

理论分析与运行实践表明，电站锅炉水冷壁管的高温腐蚀与以上各个要素有着密切的联系。从其产生的源头入手，控制每一个可能导致高温腐蚀的条件，可以有效的减缓水冷壁管的高温腐蚀速度，对电站锅炉水冷壁的安全运行有着重大意义。

4.1导致水冷壁高温腐蚀的根本原因是燃煤含硫量过高，燃料中的煤中的硫和硫化物与铁反应产生腐蚀。进行燃煤脱硫技术或者选用低含硫量燃煤，可以有效改善水冷壁管的高温腐蚀现象，从根本上减少水冷壁高温腐蚀的发生。

4.2增加贴翼风和侧翼风喷口，或者在水冷壁高温腐蚀区域的两侧墙送入二次风，形成保护膜，降低还原性气体生成，是一种主动防腐措施。增加贴壁二次风，使得两侧墙还原性气体减少，能减缓高温腐蚀现象发展。

4.3调整适宜的煤粉细度。促进煤粉的完全燃烧，一方面可有效的抑制还原性气氛的生成，减缓水冷壁管的高温腐蚀速度；另一方面能有效降低生产煤耗，实现双赢。

4.4加强燃烧优化与调整，采用合理的氧量及配风方式，保证各燃烧器负荷分配的均衡性，保持炉内燃烧工况良好，避免出现受热面局部壁温过高，特别是要避免煤粉气流冲刷水冷壁及在附近形成还原性气氛。另外，可建立常用煤种的数据库，根据实际燃用煤种，及时调整炉内燃烧工况。优化燃烧方案，一方面提高了锅炉燃烧效率，另一方面对于降低污染物排放量及锅炉安全运行有着重大意义。

4.5升级高温腐蚀区域的水冷壁管管材和进行防腐喷涂。在高温腐蚀区域更换耐腐蚀性更强的水冷壁管或者进行整体防腐喷涂，虽然是一种被动措施，但仍是一种预防高温腐蚀的有效方法。

参考文献：

[1]焦庆丰，姚斌.电厂锅炉水冷壁高温腐蚀程度判别技术研究.中国电力.

[2]高志涛.大型锅炉水冷壁高温腐蚀问题分析及预防.广西电力.