余熱鍋爐模擬給水水質(zhì)對碳素鋼材料的影響

張好峰

(大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司，吉林 長春 130012)

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組與傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電機(jī)組相比，具有建設(shè)周期短、發(fā)電效率高、啟動(dòng)快、調(diào)峰能力強(qiáng)、占地面積小、用水少、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可以大大改善電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，增強(qiáng)系統(tǒng)的調(diào)峰能力和事故應(yīng)急處理能力[1-4]。

余熱鍋爐作為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的主要組成部分，其給水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與其爐型、壓力等級等因素有關(guān)。國內(nèi)常見的余熱鍋爐多為三壓式汽包爐，3個(gè)汽包的壓力等級相差很大，這就對余熱鍋爐的給水處理提出了嚴(yán)格要求?，F(xiàn)行的GB/T 12145—2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》以及DL/T805.4—2016《火電廠汽水化學(xué)導(dǎo)則 第4部分：鍋爐給水處理》中并沒有針對余熱鍋爐的水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。流動(dòng)加速腐蝕作為余熱鍋爐最易發(fā)生的腐蝕損壞，其主要因素有水流狀態(tài)、金屬材質(zhì)、溫度以及水的氧化還原電位等。流動(dòng)加速腐蝕(FAC)是在還原性水環(huán)境下發(fā)生的腐蝕形態(tài)，多發(fā)生在70～300 ℃、低溶解氧濃度、低pH值的紊流區(qū)域。三壓余熱鍋爐最易發(fā)生FAC的部位是碳素鋼材質(zhì)的低壓汽包、低壓蒸發(fā)器，其設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度約為150 ℃。經(jīng)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，通過提高溶解氧濃度和pH值可以有效抑制FAC的發(fā)生[5-6]。

為考察余熱鍋爐給水水質(zhì)對碳素鋼材料的影響，本文選擇在150 ℃的試驗(yàn)條件下，改變聯(lián)氨濃度、pH值、溶解氧濃度等影響因子進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)使用STB340碳素鋼管(其化學(xué)成分與我國Q235C相近)沿長度方向切割出的平板狀試驗(yàn)片，尺寸為40 mm×20 mm×2 mm。試驗(yàn)片STB340及Q235C的化學(xué)成分對比如表1所示。

表1 STB340及Q235C化學(xué)成分對比 %

試驗(yàn)片表面使用800號砂紙濕式研磨，經(jīng)丙酮溶液脫脂后，用于試驗(yàn)測定。本次模擬FAC的試驗(yàn)裝置如圖1所示。將試驗(yàn)片置于高壓釜中，經(jīng)高溫高壓水(150 ℃，5 MPa)從噴嘴噴出，垂直噴射到試驗(yàn)片上，在20～100 h內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，在添加緩蝕劑的常溫硫酸溶液中進(jìn)行陰極電解還原，去除試驗(yàn)片表面的氧化膜，然后利用粗糙度儀再次測定試驗(yàn)片的表面形狀，通過試驗(yàn)前后的形狀變化來計(jì)算減薄深度。

圖1 試驗(yàn)裝置

為了測定流速、ORP(氧化還原電位)對試驗(yàn)片腐蝕電位的影響，本試驗(yàn)采用Ag/AgCl為外部參考電極，試驗(yàn)片為工作電極。在水質(zhì)調(diào)節(jié)罐中調(diào)節(jié)試驗(yàn)水溶解氧和pH值，經(jīng)高壓泵升壓，預(yù)熱器升溫后進(jìn)入噴嘴。在升壓后通過加藥罐調(diào)節(jié)所需的聯(lián)氨、NaCl和Na2SO4濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 聯(lián)氨影響

流速為6 m/s時(shí)聯(lián)氨濃度對減薄速度的影響如圖2所示。在pH9.0的水質(zhì)中添加10 μg/L的聯(lián)氨，較未添加聯(lián)氨的水質(zhì)中減薄速度增加約3倍。pH9.3時(shí)添加50 μg/L的聯(lián)氨，其減薄速度同樣增加了約3倍。pH9.4時(shí)添加聯(lián)氨濃度為20 μg/L時(shí)，與未添加聯(lián)氨相比，減薄速度增加了約5倍。另外，添加395 μg/L的Na2SO3的試驗(yàn)結(jié)果與添加50 μg/L聯(lián)氨的減薄速度相同。因此，認(rèn)為除氧劑全部具有增加減薄速度的效果。

圖2 聯(lián)氨濃度對減薄速度的影響

在低pH值、低溶解氧濃度、70～300 ℃的流動(dòng)水溫環(huán)境條件下，聯(lián)氨等還原劑的存在會加速FAC的發(fā)生，其發(fā)生機(jī)理如圖3所示。

圖3 聯(lián)氨等除氧劑存在條件下FAC發(fā)生機(jī)理

聯(lián)氨對150 ℃高溫水中ORP的影響如圖4所示。添加10 μg/L聯(lián)氨的ORP顯著下降，隨著添加聯(lián)氨濃度的增加，ORP小幅度下降，當(dāng)添加聯(lián)氨的濃度達(dá)到40 μg/L以上時(shí)，ORP的變化很小。結(jié)果表明，與增加聯(lián)氨濃度時(shí)減薄速度會提高一樣，ORP的下降與減薄速度相對應(yīng)，即聯(lián)氨的存在使水中的氧化能力降低，金屬在高溫水中形成氧化膜的過程被抑制。因此，在靜止的水環(huán)境中，聯(lián)氨對FAC的影響基本沒有區(qū)別，在流動(dòng)的水環(huán)境中，聯(lián)氨的影響很大。

圖4 聯(lián)氨濃度對ORP的影響

2.2 pH值和污染物影響

pH值和污染物對減薄速度的影響如圖5所示。在沒有添加污染物的條件下，pH9.0時(shí)的減薄速度約0.25 mm/a，將pH值調(diào)至9.2以上時(shí)減薄速度降至0.08 mm/a。在添加聯(lián)氨50 μg/L、pH9.0的水環(huán)境中，減薄速度非常高，為0.88 mm/a；但是隨著pH值的上升減薄速度直線下降，在pH9.7的條件下減薄速度降至0.03 mm/a。

圖5 pH和污染物對減薄速度的影響

由以上結(jié)果可知，給水中存在NaCl、Na2SO4時(shí)因FAC而引起的減薄被加速，聯(lián)氨存在時(shí)會增大減薄速度。但在污染物與聯(lián)氨共存的條件下，將pH值調(diào)節(jié)至9.7以上就能夠有效抑制FAC。在沒有添加聯(lián)氨的AVT(O)給水處理中，即便考慮腐蝕性陰離子的混入，只要將給水pH值調(diào)節(jié)至9.3以上就能抑制因FAC而引起的減薄現(xiàn)象。

2.3 溶解氧影響

在25 ℃時(shí)使用氨水將模擬除鹽水pH值調(diào)節(jié)至9.0，并使用該模擬除鹽水在150 ℃、溶解氧濃度分別為2 μg/L以及5 μg/L的條件下，改變不同流速時(shí)測得的碳素鋼試驗(yàn)片STB340的腐蝕電位結(jié)果如圖6所示。隨著流速提高，碳素鋼的腐蝕電位有所上升，在溶解氧濃度為2 μg/L的條件下，流速提高至20 mm/s時(shí)，試驗(yàn)片的腐蝕電位依然沒有達(dá)到Fe2O3的臨界電位值，試驗(yàn)片表面處于Fe3O4的生成區(qū)域；當(dāng)溶解氧濃度升至5 μg/L、流速為2 mm/s時(shí)，碳素鋼的腐蝕電位到達(dá)Fe2O3的臨界電位值，隨著流速繼續(xù)增大，試驗(yàn)片的腐蝕電位完全進(jìn)入Fe2O3的穩(wěn)定區(qū)，試驗(yàn)片表面處于Fe2O3的生成區(qū)域。與Fe3O4相比，γ-FeOOH和α-Fe2O3的溶解度非常小，具有良好的防腐蝕性，能夠有效防止FAC的發(fā)生。

2.4 高pH值停爐保護(hù)

使用氨水進(jìn)行停爐保護(hù)的模擬浸泡試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)在常溫、密閉的玻璃容器內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)片浸泡在一定量的大氣飽和試驗(yàn)水中。隨著pH值不斷提高，停爐保護(hù)時(shí)的腐蝕速度逐漸減小，在pH10.5時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)因氧氣存在而發(fā)生的氧腐蝕，碳素鋼試驗(yàn)片在浸泡時(shí)間長達(dá)28天后，依然能夠看到試驗(yàn)片表面的金屬光澤，有效抑制了停爐保護(hù)過程中腐蝕發(fā)生。

圖6 碳素鋼腐蝕電位與流速的關(guān)系

圖7 使用氨水進(jìn)行停爐保護(hù)試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

a. 與未添加聯(lián)氨的水質(zhì)相比，聯(lián)氨濃度大于10 μg/L的水質(zhì)可加速FAC速度2～5倍。在聯(lián)氨存在的水質(zhì)條件下，需要將給水pH值提高至9.7以上才能有效抑制FAC的發(fā)生。

b. 聯(lián)氨的存在使氧化能力降低，金屬在高溫水中形成氧化膜的過程被抑制。因此，在靜止的水環(huán)境中，聯(lián)氨對FAC的影響基本沒有變化，在流動(dòng)的水環(huán)境中，聯(lián)氨的影響很大。

c. 在沒有聯(lián)氨存在的給水中，即便考慮腐蝕性陰離子的混入，只要將給水pH值調(diào)節(jié)至9.3以上就能抑制因FAC而引起的減薄現(xiàn)象。

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