水泥窯余熱發(fā)電鍋爐管束腐蝕損壞案例分析及改造

史明磊

1 前言

水泥窯余熱鍋爐受熱面在周圍介質(zhì)（空氣、煙氣、鍋爐水、水蒸氣等）的作用下，發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起金屬破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。腐蝕一旦發(fā)生，對(duì)余熱鍋爐的安全運(yùn)行危害極大。余熱鍋爐作為水泥行業(yè)節(jié)能降耗必不可少的動(dòng)力設(shè)備，其所使用的熱源以水泥窯煅燒排出的余熱煙氣為主。許多水泥窯生產(chǎn)線和余熱鍋爐同步建設(shè)使用，余熱鍋爐的設(shè)計(jì)煙氣參數(shù)采用的是水泥窯設(shè)計(jì)時(shí)的產(chǎn)量煙氣參數(shù)。目前大部分水泥窯在投入運(yùn)行后，其實(shí)際產(chǎn)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值。受水泥窯產(chǎn)能大幅度提高的影響，余熱鍋爐的進(jìn)風(fēng)煙氣溫度也會(huì)發(fā)生變化，這樣就造成余熱鍋爐進(jìn)口煙氣溫度偏離了設(shè)計(jì)值。通常窯頭余熱鍋爐進(jìn)口溫度會(huì)高于設(shè)計(jì)值，而窯尾余熱鍋爐進(jìn)口溫度則隨著投料量的增加而逐漸降低。由于鍋爐運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值運(yùn)行，許多水泥企業(yè)出現(xiàn)窯頭余熱鍋爐高溫?zé)燂L(fēng)磨損和窯尾余熱鍋爐低溫含氧腐蝕損壞的案例，影響到企業(yè)的正常生產(chǎn)，運(yùn)行成本也有所增加。本文以我公司實(shí)際案例，分析了窯尾余熱鍋爐煙溫在遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)值后，蒸發(fā)器管束腐蝕的現(xiàn)象及形成腐蝕的原因，并提出了預(yù)防措施，供業(yè)界同仁參考。

2 發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行狀況

2009年10月，我公司建設(shè)投產(chǎn)了一條4 500t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，并同步建設(shè)了與水泥生產(chǎn)線相配套的9MW純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為窯頭余熱鍋爐從窯頭篦冷機(jī)中部兩級(jí)取風(fēng)，Ⅰ段風(fēng)量59 000m3（標(biāo)）/h，溫度420℃，Ⅱ段風(fēng)量161 000 m3（標(biāo)）/h，溫度338℃；窯尾余熱鍋爐從窯尾預(yù)熱器C1風(fēng)管取風(fēng)，風(fēng)量360 000m3（標(biāo)）/h，溫度330℃。窯頭余熱鍋爐分為四段，其中Ⅰ段為公共主蒸汽段，蒸汽來自窯頭Ⅱ段主蒸汽段及窯尾余熱鍋爐主蒸汽，合并后生產(chǎn)1.55MPa-380℃-40.5t/h的過熱蒸汽。Ⅱ段為窯頭余熱鍋爐單獨(dú)蒸汽段，生產(chǎn)1.6MPa-320℃-15.7t/h的過熱蒸汽，Ⅲ段為低壓蒸汽段，生產(chǎn)0.35MPa-180℃-4.5t/h的低壓過熱蒸汽。窯尾余熱鍋爐生產(chǎn)1.6MPa-290℃-24.8t/h的過熱蒸汽。窯頭Ⅱ段、窯尾余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽共同進(jìn)入窯頭余熱鍋爐Ⅰ段，繼續(xù)過熱為1.55MPa-380℃-40.5t/h的過熱蒸汽，作為汽輪機(jī)的主蒸汽。窯頭余熱鍋爐產(chǎn)生的二次蒸汽作為汽輪機(jī)的補(bǔ)汽，共同推動(dòng)汽輪機(jī)做功。做功后的乏汽通過冷凝器冷凝成水，凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)泵送入除氧器除氧，再經(jīng)給水泵為窯頭余熱鍋爐熱水器提供給水，形成完整的熱力循環(huán)。我公司熟料水泥窯投入運(yùn)行后經(jīng)過不斷優(yōu)化，產(chǎn)能很快得到提高，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了設(shè)計(jì)值，其中產(chǎn)能自2011年后達(dá)到了6 300t/d。受產(chǎn)能提高影響，窯頭窯尾余熱鍋爐煙風(fēng)參數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了設(shè)計(jì)值：窯頭余熱鍋爐煙溫遠(yuǎn)超過額定值，其中中壓段450～480℃，低壓段410～450℃；窯尾余熱鍋爐則遠(yuǎn)低于額定值330℃，實(shí)際運(yùn)行溫度在275～290℃。由于鍋爐長期超設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行，窯頭余熱鍋爐受超溫?zé)燂L(fēng)影響，出現(xiàn)導(dǎo)流板和部分爐墻變形損壞，窯尾余熱鍋爐受超低溫運(yùn)行影響出現(xiàn)管束腐蝕。現(xiàn)主要將窯尾余熱鍋爐發(fā)生低溫氧腐蝕漏水的情況簡(jiǎn)述如下：

2.1 發(fā)生漏水的位置

窯尾余熱鍋爐發(fā)生爆管（漏水）的位置為，余熱鍋爐沿?zé)煔馊肟诜较蚯叭?jí)蒸發(fā)器，如圖1所示。

窯尾余熱鍋爐共有5級(jí)蒸發(fā)器，在2013～2016年期間，從上到下的前三級(jí)蒸發(fā)器管子均不同程度出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。2013年7月，第一級(jí)蒸發(fā)器發(fā)生漏水，漏水位置為第一級(jí)蒸發(fā)器第一層，面對(duì)汽包方向，右數(shù)第3、6排，有沙眼，將泄露的這兩排管束割除分離后，啟爐運(yùn)行。2014年6月，第二級(jí)蒸發(fā)器發(fā)生漏水，漏水位置為第二級(jí)蒸發(fā)器第一層，面對(duì)汽包方向，右數(shù)第24、25排，有沙眼，將這些有沙眼的管束割除分離后，啟爐運(yùn)行。2015年12月，第二、三級(jí)蒸發(fā)器發(fā)生漏水，漏水位置為第二級(jí)蒸發(fā)器第一層，順汽包方向，右數(shù)第9、12、37排，有沙眼；第三級(jí)蒸發(fā)器第一、三、五層，順汽包方向，右數(shù)第7、8、9、24、29、30排，有沙眼，將這些有沙眼的管束再次割除分離后啟爐運(yùn)行。2016年3月，第二、三級(jí)蒸發(fā)器再次發(fā)生漏水，此次漏水點(diǎn)太多，與鍋爐廠家溝通，直接將第二、三級(jí)蒸發(fā)器進(jìn)出口集箱封堵后運(yùn)行。2016年4月至6月，與設(shè)計(jì)院、鍋爐廠家溝通，根據(jù)實(shí)際煙風(fēng)參數(shù)，對(duì)窯尾余熱鍋爐蒸發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。窯尾余熱鍋爐改造完成后，至今已運(yùn)行一年多，再無漏水現(xiàn)象發(fā)生。

圖1 發(fā)生爆管的前三級(jí)蒸發(fā)器管子

2.2 截取的樣管形態(tài)

現(xiàn)場(chǎng)截取發(fā)生漏水的管子，詳見圖2、圖3。

從圖2可以看出，腐蝕是由內(nèi)向外產(chǎn)生，且腐蝕處的金屬呈現(xiàn)黑色，與Fe3O4的顏色相符。從圖3可以看出，腐蝕尚未穿透管壁之前呈現(xiàn)潰瘍狀。

2.3 鍋爐運(yùn)行的維護(hù)

無論是化學(xué)水質(zhì)檢驗(yàn)、真空除氧監(jiān)測(cè)、鍋爐熱工參數(shù)監(jiān)測(cè)等，我公司均有可追溯的記錄和文檔。從以往記錄文檔的運(yùn)行數(shù)值來看，余熱發(fā)電系統(tǒng)采用的真空除氧，真空度基本保持在0.085MPa左右；鍋爐水pH值維持在10～11；PO43-維持在0.5～2.55mg/L；鍋爐給水溶解氧量維持在0.01～0.04mg/L；給水Cl-含量約4mg/L。從這些數(shù)據(jù)來看，容易造成鍋爐腐蝕的幾個(gè)因素均在規(guī)定允許范圍內(nèi)。此外，鍋爐的定期排污、連續(xù)排污情況：連續(xù)排污處于運(yùn)行狀態(tài)，定期排污要求操作人員每個(gè)班次都進(jìn)行一次定期排污工作。

3 原因分析及判斷

圖2 發(fā)生漏水的管子1

圖3 發(fā)生漏水的管子2

根據(jù)截取樣件的形態(tài)分析，造成鍋爐爆管（漏水）的原因?yàn)殄仩t水腐蝕。那么產(chǎn)生這種腐蝕的原因是什么呢？通常根據(jù)鍋爐設(shè)備的型式、參數(shù)、材質(zhì)、工作條件、介質(zhì)條件等不同，鍋爐金屬產(chǎn)生的腐蝕類型分為氧腐蝕，酸腐蝕，沉淀物下腐蝕，應(yīng)力腐蝕和水蒸氣腐蝕等。

（1）氧腐蝕：在氣水系統(tǒng)中，最易發(fā)生的金屬腐蝕是鋼材受到水中溶解氧的腐蝕。鐵受水中溶解氧的腐蝕，是一種電化學(xué)腐蝕，鐵與氧形成兩個(gè)電極，組成腐蝕電池，鐵的電極電位總是比氧的電極電位低，所以在鐵氧腐蝕電池中鐵是陽極，遇到腐蝕Fe→Fe2++2e，氧為陰極進(jìn)行還原O2+2H2O+4e→4OH-。此外，氧還能將溶于水中的Fe（OH）2氧化，生成Fe（OH）3沉淀，從而加快腐蝕。其特征是，在表面形成許多小型鼓包，其直徑自1～30mm不等，這種腐蝕為潰瘍腐蝕。

（2）酸腐蝕：鍋爐金屬的酸腐蝕是指由H+引起的腐蝕。某些物質(zhì)隨給水帶入鍋爐內(nèi)，在鍋爐內(nèi)分解、降解和水解時(shí)，就有可能產(chǎn)生酸性物質(zhì)，如水中碳酸鹽、有機(jī)物等都可能引起酸性腐蝕，酸腐蝕主要是二氧化碳腐蝕。

鍋爐給水系統(tǒng)中的碳酸鹽進(jìn)入鍋爐后，會(huì)發(fā)生熱分解，放出CO2。CO2對(duì)鋼鐵的腐蝕一般為均勻腐蝕，使金屬均勻地變薄。因?yàn)镃O2對(duì)鋼鐵的腐蝕產(chǎn)物是可溶性的金屬碳酸氫鹽，可溶于水，所以在金屬表面上沒有腐蝕產(chǎn)物積累，而且隨著H+的消耗，弱酸（H2CO3）繼續(xù)進(jìn)行電離，補(bǔ)充水中消耗的H+，這些都有利于產(chǎn)生均勻腐蝕。因?yàn)楦G尾余熱鍋爐的水處理通常是通過軟化和鍋爐內(nèi)藥劑處理，給水和鍋爐水中pH值足夠大，有很強(qiáng)的緩沖能力，一般不會(huì)發(fā)生CO2的酸性腐蝕。

（3）水蒸氣腐蝕：是指高度過熱的蒸氣，與鋼鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的一種化學(xué)腐蝕，這種腐蝕大多在過熱器中發(fā)生。

（4）應(yīng)力腐蝕：鍋爐金屬的應(yīng)力腐蝕是指金屬在應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)的共同作用下產(chǎn)生的一種腐蝕形式，它通常包括應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞和苛性脆化等。該腐蝕多發(fā)生在焊縫或焊接熱影響區(qū)。

（5）沉淀物下腐蝕：正常的運(yùn)行情況下，鍋爐水的pH值在9～11左右，這時(shí)在金屬的表面上會(huì)形成一層很致密的Fe3O4保護(hù)膜，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。但是當(dāng)鍋爐受熱面上有沉積物存在時(shí)，由于傳熱不良，沉淀物下的金屬壁溫升高，鍋爐水蒸發(fā)濃縮，從而產(chǎn)生酸性腐蝕、堿性腐蝕和電化學(xué)腐蝕，統(tǒng)稱為沉淀物下腐蝕。當(dāng)鍋爐水pH值低于8時(shí)，pH越小，腐蝕越快。由于H+起到去極化作用，而且反應(yīng)產(chǎn)物都是易溶的，不易形成保護(hù)膜。當(dāng)鍋爐水pH值高于13時(shí)，pH越大，腐蝕越快。這是由于金屬表面的Fe3O4保護(hù)膜溶于堿溶液而引起的。機(jī)理如下：

Fe3O4+4NaOH=2NaFeO2+Na2FeO2+2H2O

Fe+4NaOH=Na2FeO2+H2

Na2FeO2溶于堿性溶液。在正常運(yùn)行條件下，鍋爐水的pH值經(jīng)常能保持在正常的9～11之間，一旦金屬表面結(jié)垢，出現(xiàn)沉積物，沉積物下的鍋爐水在高溫下高度濃縮，從而具備很強(qiáng)的腐蝕性，使鍋爐金屬遭到侵蝕。

根據(jù)前述5種常見鍋爐腐蝕，分析我公司窯尾余熱鍋爐發(fā)生腐蝕的原因，第一個(gè)可以排除的是應(yīng)力腐蝕，發(fā)生腐蝕的位置并不是集中在焊縫處。第二個(gè)可以排除的是水蒸氣腐蝕，腐蝕位置也并非發(fā)生在過熱器。第三個(gè)可以排除酸腐蝕的可能性，因?yàn)殄仩t水pH值在10～11之間，而且pH值是一個(gè)容易測(cè)量且不容易測(cè)量出錯(cuò)的數(shù)值。另外，酸腐蝕一旦發(fā)生，窯頭鍋爐也不會(huì)幸免。因此，氧腐蝕和沉淀物下腐蝕是導(dǎo)致窯尾余熱鍋爐發(fā)生腐蝕的兩個(gè)可能因素。從腐蝕的形態(tài)來看，氧腐蝕比較相符。當(dāng)然，發(fā)生氧腐蝕的最根本原因還是氧元素溶解入鍋爐水中所致，那么會(huì)有一個(gè)疑問，為什么窯尾余熱鍋爐發(fā)生了腐蝕，而窯頭余熱鍋爐并未發(fā)生同樣的腐蝕。這與我公司鍋爐的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)有一定關(guān)系，窯尾余熱鍋爐是光管結(jié)構(gòu)，在窯產(chǎn)量提升后，煙氣運(yùn)行的進(jìn)口溫度，由原設(shè)計(jì)參數(shù)330℃降到275～290℃，長期運(yùn)行。該運(yùn)行溫度遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)值。由于光管沒有受熱面加強(qiáng)傳熱且溫度值偏低，則管內(nèi)氣水轉(zhuǎn)化速度較設(shè)計(jì)溫度低很多。而窯頭鍋爐為翅片管結(jié)構(gòu)，煙氣運(yùn)行進(jìn)口溫度為450℃左右，其換熱面有翅片強(qiáng)化傳熱，因此汽化速度較窯尾余熱鍋爐高很多。另外，余熱鍋爐給水不可能100%完全除氧，對(duì)于水氣滯留的位置氧腐蝕更容易發(fā)生，所以氧腐蝕發(fā)生在窯尾余熱鍋爐，而不會(huì)發(fā)生在窯頭余熱鍋爐的現(xiàn)象是成立的。

表1 改造后的窯尾余熱鍋爐參數(shù)

表2 改造前后蒸發(fā)量對(duì)比

4 解決方案

我公司窯尾余熱鍋爐管束長時(shí)間低于設(shè)計(jì)煙風(fēng)溫度運(yùn)行（設(shè)計(jì)進(jìn)口煙溫330℃，實(shí)際進(jìn)口煙風(fēng)溫度285℃），致使管束循環(huán)流速長期低于設(shè)計(jì)值，管束內(nèi)壁由于水氣滯留,氧腐蝕嚴(yán)重，造成多次泄漏。經(jīng)與設(shè)計(jì)院、鍋爐廠溝通，為保證窯尾余熱鍋爐安全運(yùn)行及發(fā)電量正常，需對(duì)該爐管束重新設(shè)計(jì)改造。

窯尾余熱鍋爐蒸發(fā)器共五層，由上向下排序?yàn)?、2、3、4、5層。為了加快管束內(nèi)的氣水循環(huán)，其中第一層原設(shè)計(jì)最上部一排管束帶有傾角。因?yàn)楣苁鴥?nèi)的水循環(huán)速度由5層到1層依次遞減，所以第一層的循環(huán)速度最慢。再加上SP爐入口溫度在285℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值330℃，使循環(huán)速度進(jìn)一步降低，造成管束內(nèi)壁由于水氣滯留,氧腐蝕嚴(yán)重。為了避免水氣滯留造成氧腐蝕，對(duì)鍋爐2、3層重新按照1層方式設(shè)計(jì)，最上部一排管束帶有傾角。而4、5層管束循環(huán)流速很高，無需改變?cè)O(shè)計(jì)。改造后的窯尾余熱爐參數(shù)見表1，改造前后蒸發(fā)量對(duì)比見表2。

5 結(jié)語

由于余熱鍋爐運(yùn)行環(huán)境特殊，溫度、壓力以及腐蝕性介質(zhì)使其相應(yīng)部件具備產(chǎn)生多種腐蝕的條件。除低溫腐蝕外，還有氣水腐蝕、溶解氧腐蝕、氫腐蝕、游離CO2腐蝕、沉積物垢下腐蝕、灰垢腐蝕、應(yīng)力腐蝕等。只有充分認(rèn)識(shí)產(chǎn)生這些腐蝕的原因，才能采取有效的預(yù)防措施，使鍋爐免遭腐蝕破壞。鍋爐的腐蝕往往是一種綜合性的問題，多種腐蝕同時(shí)出現(xiàn)，可相互促進(jìn)，也可互為因果。因此，在采取預(yù)防措施前需要全面系統(tǒng)地分析腐蝕原因，進(jìn)行綜合治理。