不同材質換熱管低溫腐蝕研究

劉偉+許利華+俞見陽

摘 要： 由于含硫燃料燃燒后易造成鍋爐尾部受熱面低溫酸腐蝕，影響設備使用壽命，因此煙溫區(qū)域必須選擇不同耐腐蝕材料，以確保設備正常運行.依據酸露點溫度計算結果及實際工程運行經驗，提出了界限溫度概念，即在尾部排煙酸露點溫度基礎上增加5～10℃后的溫度.在管外壁溫度高于界限溫度的煙溫區(qū)，受熱面材料可選擇碳鋼；在管外壁溫度低于界限溫度30～40℃的煙溫區(qū)，受熱面材料可選擇ND鋼或316 L等不銹鋼；若管外壁溫度進一步降低，則需要選擇雙相不銹鋼、塑鋼管等特殊材料.采用試驗手段研究了在硫酸質量分數不同時不同材質換熱管的耐腐蝕性，試驗結果顯示：隨著硫酸質量分數增大，硫酸腐蝕性增強；而316 L不銹鋼在硫酸質量分數不同時都表現出良好的耐腐蝕性.

關鍵詞： 低溫腐蝕； 酸露點； 界限溫度； 耐腐蝕試驗

中圖分類號： TK 172文獻標志碼： A

文章編號： 1008-8857（2016）03-0176-05

Abstract： Due to the burning of fuels containing sulfur，lowtemperature acid corrosion occurred on the boiler tail heating surface，which affected its service life.Therefore，different corrosionresistant materials should be selected for different zones where the flue gas temperature was different to ensure its normal operation.Based on the theoretical calculation and practical engineering experience，the critical temperature was proposed，which was 5～10℃ higher than the acid dew point temperature.When the wall temperature outside the tube was higher than the critical temperature，carbon steel could be used in this zone.When it was 30～40℃ lower than the critical temperature，ND or 316L stainless steel was the right choice.Duplex stainless steel or steel pipe coated with plastics was the final choice when it was lower further.The corrosion resistant tests of heat exchanger tube with different materials were conducted with different mass concentrations of sulfuric acid.The experimental results showed that the corrosion of sulfuric acid was enhanced when the concentration of sulfuric acid increased.316L stainless steel showed good property of corrosion resistance at different concentrations of sulfuric acid.

Keywords： lowtemperature corrosion； acid dew point； critical temperature； corrosion resistance test

火電機組在我國裝機容量中所占比重超過70%.各電廠為降低排煙溫度，減少排煙損失，同時提高下游脫硫除塵效率，優(yōu)化電廠運行經濟性，大多考慮在尾部煙道加裝煙氣換熱器.但是隨著煙溫降低，尾部低溫受熱面區(qū)域低溫腐蝕也隨之出現.

煙氣低溫腐蝕是指鍋爐低溫煙氣中的水蒸氣、硫酸蒸氣凝結至鍋爐低溫受熱面上，與傳熱管金屬發(fā)生化學反應，造成傳熱管壁厚腐蝕減薄失效損壞[1].由于燃料中含硫，硫在爐膛中燃燒生成二氧化硫（SO2），少量二氧化硫進一步氧化生成三氧化硫（SO3），三氧化硫與煙氣中水蒸氣反應生成硫酸蒸氣（H2SO4）.氣態(tài)狀態(tài)下，硫酸并不對受熱面產生腐蝕，但當受熱面壁溫低于煙氣中酸露點時，蒸氣會在受熱面上凝結，從而對受熱面金屬產生強烈的腐蝕，即低溫酸腐蝕.

國內外對低溫腐蝕問題已進行了多方面的研究.小若正倫等經過多年研究提出了硫酸腐蝕的“三段論”，較好地解釋了實際工況下的腐蝕過程[2]；洛陽石化工程公司設備研究院王維宗在1992年就針對硫酸露點腐蝕機理進行研究及歸納，并提出了應對硫酸露點腐蝕的一些措施[3]；青海石油管理局李許年針對鍋爐空氣預熱器，對低溫腐蝕危害及成因進行了分析[4]；大唐科技產業(yè)有限公司張國柱結合低溫腐蝕機理，對低溫省煤器的設計做出了優(yōu)化改進[5].

對于低溫腐蝕產生機理、危害等方面已有較為深入的研究，在工程應用中也提出了不少減輕與防止低溫腐蝕的方法及措施，其中最常用也是最簡易的方法是采用耐低溫腐蝕的材料，但是，針對不同煙溫區(qū)域，耐腐蝕材料的選擇尚無統一的標準.筆者基于酸露點溫度分析、實際工程經驗，對比了幾種常用管材的耐腐蝕性能，為實際工程設計提供一定的指導作用.

1 低溫酸露點溫度及其應用

低溫腐蝕問題普遍存在于含硫燃料的鍋爐機組尾部受熱面，因此尾部受熱面設計的一個關鍵環(huán)節(jié)在于煙氣酸露點溫度的確定.該溫度的確定將為受熱面材質選取及布置提供設計依據.

目前，我國鍋爐行業(yè)大多采用前蘇聯1973版標準《鍋爐機組熱力計算標準方法》[6]推薦的露點溫度tsld計算式，即

上述計算方法是20世紀50年代由前蘇聯熱工研究所在試驗數據基礎上整理而成，主要適用于固體和液體燃料.計算公式結構相對完整，可按燃料特性直接進行計算，且考慮了灰分自脫硫作用，在國內有一定驗證實績.其不足在于沒有反映SO2轉化成SO3對露點溫度的影響，并且計算值較實際測量值高約25～50℃[7].

酸露點溫度的確定可指導鍋爐尾部受熱面的設計及材料選擇.根據陜西神木地區(qū)蘭炭尾氣鍋爐以及焦作龍星化工炭黑尾氣鍋爐的實際運行情況，蘭炭尾氣鍋爐尾部排煙的酸露點溫度一般在120～130℃左右，炭黑尾氣鍋爐尾部排煙的酸露點溫度一般在150～180℃左右.針對這兩種爐型，設計過程中建議在尾部排煙酸露點溫度基礎上增加5～10℃作為界限溫度.在管外壁溫度高于該界限溫度的煙溫區(qū)，受熱面材料可選擇碳鋼；在管外壁溫度低于該界限溫度30～40℃的煙溫區(qū)，受熱面材料可選擇ND鋼或316 L等不銹鋼；若管外壁溫度進一步降低，則需要選擇雙相不銹鋼、塑鋼管等特殊材料.

2 硫酸腐蝕性試驗

低溫酸腐蝕多為硫酸腐蝕.為明確換熱管不同材料在不同質量分數的硫酸中的耐腐蝕情況，為受熱面設計提供依據，本文對碳鋼、ND鋼、316 L不銹鋼、無機涂料+碳鋼（有破口、無破口各1種）等共5種管材的硫酸腐蝕性進行了試驗研究.

2.1 試驗標準及方法

參照JB/T 7901—1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》[8]的規(guī)定，根據實際需要，對5種試樣進行硫酸腐蝕性試驗，試樣規(guī)格如表1所示.試驗條件為：（1） 硫酸質量分數為20%，在70℃時浸泡16 h；（2） 硫酸質量分數為5%，在70℃時浸泡40 h.

根據試驗結果采用腐蝕速率R對不同材料的耐腐蝕特性進行評估.腐蝕速率計算式為

2.2 試驗結果分析

硫酸質量分數為20%，在70℃時浸泡16 h后各試樣情況如圖1所示；硫酸質量分數為5%，在70℃時浸泡40 h各試樣情況如圖2所示.由圖1、2可以直觀地對比不同材質的耐腐蝕性，其中316 L不銹鋼在硫酸質量分數分別為5%、20%時，其耐腐蝕性均優(yōu)于其余幾種材料.

測量在硫酸質量分數不同時試樣浸泡前、后的質量，可計算出各試樣的腐蝕速率，結果如表2、3所示.

通過計算腐蝕速率，量化了不同材料在不同質量分數的硫酸溶液中的耐腐蝕性.

（1） 無論是在質量分數5%或20%的硫酸溶液中浸泡，316 L不銹鋼都表現出良好的耐腐蝕性，腐蝕速率遠小于其他材質的試樣；ND鋼試樣的耐腐蝕性優(yōu)于碳鋼試樣及無機涂料+碳鋼試樣，但耐腐蝕性仍遠遜于316 L試樣；無機涂料對碳鋼材料能起到一定的保護作用，但噴涂后耐腐蝕性不如316 L及ND鋼.

（2） 隨著硫酸質量分數的增大，其對不同材質試樣的腐蝕性增強，其中最為明顯的為無機涂料+碳鋼試樣.對比兩種質量分數硫酸溶液中的腐蝕速率，數值由22.18 mm·a-1激增至226.84 mm·a-1，腐蝕速率呈數量級式增大；而316 L不銹鋼試樣及ND鋼試樣則表現相對穩(wěn)定，腐蝕速率增大有限.

3 結 論

為實現含硫燃料鍋爐尾部低溫段受熱面的合理設計，需要考慮低溫酸腐蝕對受熱面的影響.本文針對低溫酸腐蝕問題，依據酸露點溫度計算結果及實際工程運行經驗，提出了界限溫度概念，并在不同質量分數的硫酸溶液中對不同材質換熱管的耐腐蝕性進行了試驗研究，得出如下結論：

（1） 酸露點溫度可采用前蘇聯73版標準《鍋爐機組熱力計算標準方法》推薦公式進行計算，但是實際運用中需考慮計算值與運行值的差異，留出設計余量.

（2） 提出了界限溫度概念，即尾部排煙酸露點溫度基礎上增加5～10℃后的溫度.在管外壁溫度高于界限溫度的煙溫區(qū)，受熱面材料可選擇碳鋼；在管外壁溫度低于界限溫度30～40℃的煙溫區(qū)，受熱面材料可選擇ND鋼或316 L等不銹鋼；若管外壁溫度進一步降低，則需要選擇雙相不銹鋼、塑鋼管等特殊材料.

（3） 無論是在5%或20%質量分數的硫酸溶液中浸泡，316 L不銹鋼都表現出良好的耐腐蝕性，腐蝕速率遠小于其他材料試樣.

（4） 隨著硫酸質量分數的增大，其對不同材質試樣的腐蝕性增強.

參考文獻：

[1] 張基標，郝衛(wèi)，趙之軍，等.鍋爐煙氣低溫腐蝕的理論研究和工程實踐[J].動力工程學報，2011，31（10）：730-733.

[2] 小若正倫.金屬的腐蝕破壞與防蝕技術[M].袁寶林，譯.北京：化學工業(yè)出版社，1988.

[3] 王維宗.硫酸露點腐蝕機理與防護[J].石油化工腐蝕與防護，1992（4）：16-22.

[4] 李許年.鍋爐低溫面的腐蝕、積灰形成機理及防止[J].青海大學學報：自然科學版，2001，19（4）：84-87.

[5] 張國柱.火電廠煙氣余熱回收利用技術優(yōu)化與應用分析[J].能源與節(jié)能，2013（12）：170-172.

[6] 鍋爐機組熱力計算標準方法[M].北京：機械工業(yè)出版社，1976：101.

[7] 李鈞，閻維平，高寶桐，等.電站鍋爐煙氣酸露點溫度的計算[J].鍋爐技術，2009，40（5）：14-17.

[8] 儀表功能材料標準委員會.JB/T 7901—1999金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法[S].北京：機械工業(yè)出版社，2004.