電站鍋爐水冷壁管減薄原因分析及改進(jìn)措施

常偉，魏然，馬升

(國電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司銀川分公司，寧夏 銀川 750011)

某電站鍋爐水冷壁管設(shè)計(jì)材質(zhì)20G，規(guī)格φ60 mm×6.5 mm。2019年1月，對鍋爐水冷壁貼壁氣氛進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示鍋爐最上層燃燒器至燃盡風(fēng)位置水冷壁貼壁氣氛中CO和H2S氣

體濃度較高。同年4月，機(jī)組臨修期間對水冷壁進(jìn)行檢查時發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域水冷壁管壁減薄，減薄位置主要集中在左墻、后墻水冷壁燃盡風(fēng)位置及后墻水冷壁C層吹灰器水平位置和水冷壁C層噴口水平位置。為查清水冷壁管的減薄原因，本文對該廠2根水冷壁取樣管進(jìn)行了檢查分析并提出改進(jìn)措施，以期避免再次發(fā)生類似情況，同時為國內(nèi)其他電廠提供技術(shù)參考。

1 原因分析

1.1 宏觀檢查

由圖1可見取樣管表面均存在較厚的沉積物，沉積物外層顏色主要為黃褐色及鐵灰色；管壁呈不均均性減薄，局部呈凹凸?fàn)?，減薄嚴(yán)重；沉積物剝落后內(nèi)層顏色呈有光澤的藍(lán)黑色，且局部質(zhì)硬、結(jié)合緊密,有一定鐵磁性，具有硫化物腐蝕的特征[1]。

圖1 取樣管外表面腐蝕形貌

1.2 沉積物分析

對取樣管向火側(cè)表面沉積物進(jìn)行EDS能譜分析，由圖2—圖3可知，沉積物主要元素為O、Fe、S、Pb、Zn。沉積物內(nèi)壁S元素質(zhì)量占比最高達(dá)34.94%，外壁S元素質(zhì)量占比最高達(dá)14.23%，S元素質(zhì)量占比較高，且內(nèi)壁S元素質(zhì)量占比高于外壁，檢測結(jié)果見表1。

表1 沉積物的EDS分析結(jié)果

(a)外層沉積物

(a)外層沉積物

對取樣管向火側(cè)沉積物X射線衍射法(XRD)物相分析，由圖4—圖5可知沉積物主要為鐵的腐蝕產(chǎn)物(FeS占比約67%)及氧化產(chǎn)物(FeO占比約22%,Fe3O4占比約9%)。

圖4 1號樣管沉積物XRD物相分析譜圖

圖5 2號樣管沉積物XRD物相分析譜圖

水冷壁管沉積物EDS與XRD的分析結(jié)果顯示，取樣管向火側(cè)沉積物含S量高、主要產(chǎn)物為Fe的硫化物及氧化物，表明水冷壁管腐蝕減薄具有硫化物型腐蝕的特征[1]。

1.3 燃煤特性分析

查閱該鍋爐運(yùn)行資料，鍋爐停爐前燃用煤質(zhì)情況如下：熱值Qnet.ar≈17.63 MJ/kg，揮發(fā)分Vdaf≈29.02%，灰分Aar≈37.10%，全水Mar≈5.6%，硫分Sar≈2.5%，當(dāng)燃料折算硫分Sar，zs=(Sar/Qnet.ar)×4182大于0.2%時，為高硫分燃料[2]。近期燃料的折算硫分為0.6%，屬于典型的高硫分燃料。該鍋爐部分磨煤機(jī)長期存在煤粉細(xì)度可調(diào)范圍過小，煤粉細(xì)度不合格(25%左右)，極易造成煤粉著火不及時、燃燒不充分以及火焰刷墻等問題。從燃料特性及燃燒來看，具有硫化物型腐蝕傾向。

1.4 金相組織分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 884—2019[3]，采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，使用Zeiss Axio Observer.A1m倒置式光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察,對2根水冷壁取樣管進(jìn)行金相微觀組織分析。取樣管金相組織均為鐵素體+珠光體，未發(fā)現(xiàn)組織球化[4]，1號取樣管晶粒度為9級[5]，2號取樣管晶粒度為8.5級[5]。金相組織結(jié)果顯示，2根水冷壁取樣管金相組織正常，未發(fā)現(xiàn)組織球化，證明管壁無超溫、無內(nèi)壁結(jié)垢導(dǎo)致的傳熱不良等現(xiàn)象(見圖6)。

(a)1號取樣管

綜合各項(xiàng)分析結(jié)果，判斷水冷壁壁厚減薄是硫化物型腐蝕引起的。鍋爐的硫化物型腐蝕主要是由于長期燃用高硫煤，導(dǎo)致水冷壁貼壁氣氛中CO和H2S氣體濃度較高，同時煤粉細(xì)度不合格，燃燒不完全以及火焰沖刷水冷壁，導(dǎo)致水冷壁局部區(qū)域發(fā)生腐蝕、壁厚減薄較快。

2 改進(jìn)措施

2.1 控制燃用煤硫分

燃煤中的硫含量越高，煙氣中的H2S以及腐蝕區(qū)域的還原性氣氛濃度越大，出現(xiàn)腐蝕的幾率就越大。因此，提高燃煤品質(zhì)，降低實(shí)際鍋爐燃煤中的硫含量，適當(dāng)控制熱值和揮發(fā)分，從根源上阻止腐蝕性介質(zhì)的生成，可以有效地防止硫化物型腐蝕的發(fā)生[6]。

2.2 控制煤粉細(xì)度

煤粉顆粒太粗時，影響煤粉燃盡，容易造成未燃顆粒沖刷水冷壁和貼壁燃燒，在壁面附近形成還原性氣氛,引發(fā)高溫腐蝕。當(dāng)煤粉粒度R90在8.5%～13.5%時，水冷壁的外部腐蝕速率比R90在6%～8%時明顯加快，當(dāng)燃燒器煤粉濃度不均勻或風(fēng)速偏差大于10%時，更為嚴(yán)重[7]。因此,在汽溫和煤粉出力等允許的條件下，降低煤粉細(xì)度在一定程度上可以預(yù)防水冷壁高溫腐蝕的發(fā)生。

2.3 控制還原性氣氛濃度

對鍋爐運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整，通過提高爐膛出口氧量及OFA擋板開度進(jìn)行調(diào)整，燃燒器至燃盡風(fēng)區(qū)域、爐前至爐后平均布置4個測點(diǎn)。調(diào)整過程及調(diào)整后運(yùn)行主要參數(shù)變化見表2、表3。

由表2可知，在提高爐膛出口氧量時，燃燒器水冷壁硫化氫和CO濃度均有所下降，但是整體上還原性氛圍依然較高，這與SOFA風(fēng)率較高有關(guān)，通過OFA擋板開度調(diào)整，以增加主燃燒區(qū)域的氧量。由表3可知，當(dāng)擋板開度從60%開大至80%再到100%時，貼壁附近氣流中的CO和H2S濃度顯著降低。水冷壁腐蝕速度與煙氣中的H2S濃度近乎成正比，而貼壁氣氛中CO也是發(fā)生高溫腐蝕的必要條件，煙氣中的H2S濃度隨著CO濃度的增加也會大幅增加[7]。因此通過上述調(diào)整，貼壁附近氣流中的CO和H2S濃度顯著降低，也降低了硫化物型腐蝕發(fā)生的可能性。

表2 鍋爐貼壁氣氛測試結(jié)果(固定OFA擋板開度60%)

表3 鍋爐貼壁氣氛測試結(jié)果(調(diào)整OFA擋板開度)

2020年4月機(jī)組檢修期間，對之前腐蝕嚴(yán)重區(qū)域的水冷壁進(jìn)行復(fù)查，壁厚檢測值在5.8～6.3 mm之間，該區(qū)域高溫腐蝕現(xiàn)象已得到明顯改善。

3 結(jié) 論

(1)通過對鍋爐水冷壁取樣管宏觀檢查、沉積物分析、燃煤特性分析、貼壁氣氛測試、金相組織分析，判斷水冷壁管減薄的原因是硫化物型高溫腐蝕。

(2)通過控制燃用煤硫分、煤粉細(xì)度、還原性氣氛濃度，使得該鍋爐水冷壁高溫腐蝕情況得以有效改善，避免了由于水冷壁腐蝕后減薄所導(dǎo)致的泄漏停機(jī)。