脫硫泵腐蝕現(xiàn)狀及防護技術(shù)應(yīng)用

胡 俊

（中石化集團北京燕山石油化工有限公司，北京 102500）

0 引言

煙氣脫硫已是我國火力發(fā)電機組要求必須具有的環(huán)保裝置，而石灰石——石膏濕法煙氣脫硫FGD（Flue gas desulfurization，煙氣脫硫），是目前世界上技術(shù)最成熟應(yīng)用最多的高效脫硫工藝。漿液循環(huán)泵是FGD脫硫系統(tǒng)中的大型流體動力設(shè)備，脫硫泵通常為離心式泵，脫硫泵從脫硫塔底部抽取漿液進行循環(huán)，它是石灰石-石膏法脫硫工藝中流量最大，使用條件較為苛刻的循環(huán)泵。在實際應(yīng)用中，濕法脫硫煙氣中含有粉塵、SO2，HCl，NOx，H2SO3，H2SO4等復(fù)雜的組分而且酸堿交替、冷熱交替、干濕交替，這些煙氣被漿液吸收。作為漿液循環(huán)的主要動力設(shè)備，脫硫泵承受著多種多樣的物理、化學(xué)攻擊，尤其是漿液中的固體顆粒沖刷以及SO32-，SO42-，Cl-，F(xiàn)-對過流面的強烈腐蝕、氣蝕等因素協(xié)同作用，在流體漿液腐蝕和磨蝕共同破壞作用下，泵體過流面金屬很容易受到嚴重摸磨耗，使葉輪、護板、蝸殼內(nèi)表面等過流件幾何尺寸發(fā)生明顯變化，最終導(dǎo)致泵的效率低下、噪聲加劇甚者泵件報廢。如果不采取合理的防護對策，脫硫泵的運行將達不到預(yù)期的循環(huán)效果，最終影響脫硫系統(tǒng)的脫硫效率指標(biāo)。

1 脫硫泵的腐蝕及磨蝕現(xiàn)狀

脫硫泵早先采用的金屬材料主要有雙相不銹鋼（如2505，2605），雖然具備較高的耐氯離子點蝕性能，但其固熔處理后硬度≤26 HRC，當(dāng)輸送固體顆粒的硬度＞26 HRC時就會產(chǎn)生磨蝕。電廠使用的石灰石漿液中稍有大而硬的固體顆粒時，泵件就會發(fā)生嚴重的磨蝕，最早的雙相不銹鋼葉輪使用不到6個月就出現(xiàn)嚴重磨蝕。尤其是在鋼廠的脫硫泵，由于漿液中含有密度較高的金屬礦渣顆粒，雙相不銹鋼葉輪（1～3）個月就出現(xiàn)嚴重磨損或報廢。后期人們?yōu)榱私鉀Q泵件的抗磨問題，犧牲了材料的韌性，發(fā)展出了耐磨蝕性好的高鉻鑄鐵泵件如Cr30A等，該材料雖然該材料硬度可提高至55 HRC，但其耐點蝕當(dāng)量 PREN（Pitting Resistance Equivalent Number，耐點蝕當(dāng)量）＜36。Cr30葉輪在電廠脫硫泵上運行6個月以后，磨損程度比雙相不銹鋼有所減輕。但葉輪、泵殼、泵蓋等過流部位還是出現(xiàn)較大的磨損，泵的效率每況愈下，在后面的6個月，脫硫泵基本上處于帶病運行狀態(tài)。由于Cr30A開裂傾向性大，只能用于制造葉輪，鑄造大型泵殼還是存在開裂風(fēng)險。為了解決Cr30A的脆性并提高耐蝕性，國內(nèi)一些廠家通過添加Ni，Mo等合金元素優(yōu)化合金組織，得到了改性Cr30金屬材料。該材料的點蝕當(dāng)量PREN＞38，耐氯離子腐蝕性能比先前提高30%～50%，材料的硬度控制在（40～50）HRC，改善了韌性后的材料，開裂風(fēng)險降低，可用于大型泵殼。但（40～50）HRC的硬度，仍然無法保證脫硫泵在12個月內(nèi)不發(fā)生明顯的磨損或保持泵效率不下降。國外對于脫硫泵金屬材料的篩選嘗試，最后將適合的金屬材料定位在鎳基合金上，但由于鎳基合金泵的價格昂貴，尤其是大型脫硫泵用鎳基合金制作成本太高，用戶無法承受這樣高昂的成本。為了保證在12個月內(nèi)不讓泵件發(fā)生太快的磨損，電廠只能選擇轉(zhuǎn)速較低的泵。這意味著電廠不得不花費成倍的費用，再購買大尺寸的脫硫泵或增加脫硫泵的數(shù)量，來保證漿液的總流量不下降，這將使泵房的用電能耗更高、脫硫成本增加。

綜上所述，漿液的腐蝕和磨蝕給脫硫泵帶來的磨耗是極其嚴峻的，腐蝕和磨蝕的泵振動噪聲增大、出力下降、金屬裂紋擴展、泵件提前報廢以及運行不安全，影響整體FGD脫硫系統(tǒng)的脫硫效率指標(biāo)以及脫硫泵向高轉(zhuǎn)速、高出力的方向發(fā)展。

2 脫硫泵的腐蝕及磨蝕機理分析及影響因素

在脫硫過程中煙氣中的二氧化硫被吸收并生成亞硫酸鹽或硫酸鹽，亞硫酸根及硫酸根離子具有很強的化學(xué)活性，對泵體具有很強的腐蝕能力，從二氧化硫的吸收來講，理論上pH高時有利于二氧化硫的吸收，pH在6左右時，二氧化硫吸收效果較好，但這樣的酸堿度條件下，亞硫酸鈣繼續(xù)氧化以及石灰石的進一步溶解均受到抑制，漿液中出現(xiàn)難以脫水的亞硫酸鈣和石灰石顆粒。當(dāng)pH值降低時有利于亞硫酸鈣的氧化，石灰石的溶解度也能增加，但二氧化硫的吸收受到抑制，脫硫效率大大降低，當(dāng)pH低至4時，二氧化硫幾乎無法被吸收，此時漿液的腐蝕能力更加提高。故運行中一般控制在pH在4.5～5.8這樣一個酸性環(huán)境，酸性硫腐蝕是不可避免的。

在濕法脫硫系統(tǒng)中，SO2，H2SO4，H2SO3，HCl可以很快發(fā)生反應(yīng)生成CaCl2，CaSO4，由于漿液中CaSO4溶解度非常小，故SO42-濃度≤1000 mg/L，但CaCl2的溶解度很大，所以在循環(huán)的漿液中Cl-濃度很高。Cl-在脫硫系統(tǒng)中是引起金屬腐蝕的重要原因，當(dāng)Cl-濃度超過2×10-10時，普通的不銹鋼已不能正常使用，當(dāng)Cl-濃度超過6×10-10時，則需要鎳基合金才能勝任。對于Cl-的腐蝕作用機理有多種說法，有研究者認為在酸性漿液中CaCl2的腐蝕產(chǎn)物分解為氫氧化鈣和游離HCl，游離酸在某些微坑內(nèi)可以產(chǎn)生pH為1的強酸微環(huán)境，金屬表面很快造成大面積點蝕坑。另有研究者則認為，Cl-容易在不銹鋼氧化膜表面吸附并形成新的表面化合物，但這種新的表面化合物晶格缺陷多，具有較大的溶解度，容易導(dǎo)致原有氧化膜破裂。故漿液中氯離子是一個主要的腐蝕影響因素。

脫硫塔底部的漿液含有大量的固體顆粒，漿液固含量達到5%～28%，主要是飛灰、Al2O3，SiO2、亞硫酸鈣（CaSO3.H2O）、硫酸鈣（CaSO4.2H2O）,粒度范圍在（0～0.5）mm，尤其是漿液中的 Al2O3和SiO2硬度高，對泵體金屬具有很強的磨損破壞性。脫硫泵輸送的漿液屬于典型的氣固液三相流體，固相對泵的影響是連續(xù)的均勻的，而氣相對泵的影響遠比固相復(fù)雜且難以預(yù)測，泵的吸入口和葉輪葉片的背面等部位氣體聚集會導(dǎo)致氣蝕量增加，漿液中固體顆粒磨損和氣蝕沖擊波共同作用對金屬組織形成的破壞，學(xué)術(shù)上統(tǒng)稱磨蝕。

綜上所述，漿液對脫硫泵的破壞是集合腐蝕、磨損、氣蝕共同作用的一個非常復(fù)雜的工況，單純的磨損并不可怕，但在腐蝕環(huán)境下的磨蝕，會讓腐蝕、磨損、氣蝕分別放大數(shù)倍，這對泵體金屬是一個極大的考驗。

3 解決方法現(xiàn)狀

脫硫泵在長時間的運行中，泵件過流面受到腐蝕、磨蝕等破壞，葉輪、護板、泵殼出現(xiàn)金屬減薄、凹坑、豁口、腐蝕性裂紋，最終導(dǎo)致泵件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題而報廢。

針對脫硫泵磨損修復(fù)、防磨開發(fā)，人們做了不少嘗試工作。早先的雙相不銹鋼脫硫泵件具有可焊性，人們對磨損的部位進行同材質(zhì)補焊然后機械加工修復(fù)至使用狀態(tài)，但這種修復(fù)方法雖然可以很好的恢復(fù)泵的出力效率，但無法很好的解決泵件的快速磨損問題，后期發(fā)展的Cr30，A49高鉻鑄鐵泵件耐磨性有一定提高，但該類材料屬于不可焊金屬，補焊會導(dǎo)致零件碎裂，針對高鉻鑄鐵泵件磨損后的修復(fù)，業(yè)內(nèi)很多單位采用高分子陶瓷顆粒涂料（環(huán)氧-碳化硅或環(huán)氧-氧化鋁）進行表面涂抹固化冷修復(fù)，該工藝操作簡單，但該工藝涂抹平均厚度在5 mm左右，這樣的厚度對葉片原廠設(shè)計的流線型改變較大，雖然耐磨性有一定的提高，但泵的效率無法恢復(fù)到出廠設(shè)計的出力水平。一些電廠認為涂抹修復(fù)后的脫硫泵由于表面粗糙度接近砂輪的粗糙表面,與漿液摩擦阻力大，遠比使用新泵耗電，這樣的論斷不無道理。

為了開發(fā)耐磨壽命更長的脫硫泵，德國有兩家公司在10年前開發(fā)了樹脂碳化硅熱澆注陶瓷泵。該技術(shù)是將樹脂碳化硅澆注料澆注至特定的精密模腔內(nèi)，然后進行固化脫模。該工藝制造的脫硫泵耐磨壽命，是國內(nèi)高鉻鑄鐵泵的2～3倍而且泵的出力效率也比較穩(wěn)定，但碳化硅陶瓷泵生產(chǎn)成本是普通鑄造泵的3倍左右，投資成本太大不符合我國的國情，應(yīng)用受到限制。20世紀90年代，澳大利亞某公司最早采用橡膠襯套技術(shù)解決脫硫泵的磨損問題（橡膠襯套技術(shù)只能用于泵殼和護板，葉輪離心力大無法應(yīng)用橡膠涂層），該技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用了數(shù)十年，由于橡膠襯套的脫落堵塞問題以及橡膠缺陷的修補問題均存在無法克服的風(fēng)險，故該工藝逐漸退出主流市場。雖然金屬泵的耐磨壽命以及出力效率的持久穩(wěn)定性不夠理想，但考慮到綜合成本，目前我國的脫硫泵主流應(yīng)用仍然是以高鉻鑄鐵金屬脫硫泵為主，一些泵廠為了延緩泵的磨損，只能從設(shè)計上把泵的尺寸做大、轉(zhuǎn)速改低，這種方法從節(jié)能增效上講不能算是非?？茖W(xué)合理的選擇。

設(shè)想如果能通過在高鉻鑄鐵泵上使用薄涂層防磨，即用厚度在（0.5～1）mm的涂層去解決腐蝕和磨蝕問題，同時這樣薄的厚度又不影響原泵廠設(shè)計流線型和表面光滑度，確保泵的流量壓力在科學(xué)合理的范圍，這將使修復(fù)、防磨和節(jié)能增效有機的結(jié)合在一起，讓泵修復(fù)真正成為一種科學(xué)完美的選擇。

公司第一套脫硫裝置于2004年10月投入運行，在國內(nèi)FGD脫硫方面起步較早，脫硫泵LC300/530型，轉(zhuǎn)速（600～990）r/min，揚程24.5 m。由于漿液泵介質(zhì)的特殊性，運行周期在滿負荷情況下只能達到6000 h左右，脫硫泵葉輪、護板、泵殼磨損嚴重，運行6個月以后電流下降可達10%。公司在脫硫泵的修復(fù)防磨上進行了各種高分子陶瓷修補劑材料嘗試，效果均不理想。針對公司脫硫泵磨損特點，基于薄涂層防護思路，2014年公司選擇冷金屬過渡焊補焊+焊后機械加工+金屬-陶瓷高頻爆炸熔射超硬薄膜涂層+柔覆聚合物涂層技術(shù)，對泵體的所有過流面進行出廠機械尺寸恢復(fù)并熔射覆膜。

高頻爆炸熔射技術(shù)是2000年以后國際上出現(xiàn)的最新涂層技術(shù)，該技術(shù)基于火箭脈沖爆震推力發(fā)動機原理開發(fā)而成，燃料輸入噴槍的燃燒室發(fā)生連續(xù)爆炸產(chǎn)生（3200～4200）℃高溫，將金屬-陶瓷粉末送入爆炸區(qū)熔化并被高頻脈沖爆震波推送至零件表面形成一個光滑堅硬的涂層，該涂層硬度超過70 HRC，與基體結(jié)合強度最高可達120 MPa。

公司泵件經(jīng)涂層處理后，運行12個月內(nèi)，泵的電流波動率基本在2%～4%，機組噪聲穩(wěn)定。1個運行周期后停機檢修，所有過流泵件的母體金屬基本沒有損壞，只在泵殼出口流道根部出現(xiàn)局部磨蝕；局部修復(fù)后繼續(xù)運行1個大修周期后，停機檢修涂層仍有70%左右的完好率，此時泵件幾何形狀仍未發(fā)生改變。從2個運行周期的實際應(yīng)用跟蹤看，冷金屬過渡補焊+熔射非晶金屬-陶瓷超硬涂層的方法，在公司脫硫泵上應(yīng)用，既可以實現(xiàn)泵的修復(fù)防磨，又可以實現(xiàn)泵的節(jié)能增效。噴淋泵監(jiān)測數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 噴淋泵監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

表1數(shù)據(jù)表明，經(jīng)修復(fù)后的泵，在運行中其出口壓力不低于新泵額定水平，說明泵的流量沒有衰減。由于葉輪表面覆膜后使得表面耐磨性和減阻性大幅度提高。涂層的光潔度是經(jīng)過普通拋光后是不銹鋼的10倍以上，這種極光滑的表面減少了泵內(nèi)流體的分層，從而減少泵內(nèi)部紊流，降低了泵內(nèi)的容積損失和磨損損耗，葉輪在漿液中的摩擦阻力大大降低，漿液對葉輪阻力變小，電機軸扭矩、電耗降低，這是電流下降的主要原因。在流量和泵壓力滿足標(biāo)準的情況下，電流下降5 A，電流下降率7.35%，說明電機負荷減輕，意味著脫硫泵節(jié)電7.35%。

4 結(jié)束語

利用高頻熔射技術(shù)在脫硫泵過流面制備一層防護涂層，以減少介質(zhì)對金屬的腐蝕和磨蝕，延長泵件的使用壽命，是目前最為經(jīng)濟、有效的一種方法。在各種修復(fù)方法中，由于高頻熔射金屬-陶瓷涂層厚度只有（0.3～0.5）mm，不要后期機械加工，不影響泵件裝配，也不改變?nèi)~片的設(shè)計流線型，同時耐磨壽命超過環(huán)氧樹脂碳化硅材料2倍以上。配合冷金屬過渡補焊工藝，既可以對補焊翻新的零件進行覆膜，也可以給新泵表面進行預(yù)保護覆膜。覆膜后的泵件，在1個大修期內(nèi)長期保證新泵效率運行，從減少購買新泵支出和泵房節(jié)電上均能創(chuàng)造可觀的效益。泵是動力耗費大戶，依據(jù)通用機械工業(yè)協(xié)會計算，泵耗電量占我國發(fā)電量的15%～25%，泵的節(jié)能和可持續(xù)使用在工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域占據(jù)重要地位。因此，通過在泵行業(yè)應(yīng)用該耐磨減阻涂層實現(xiàn)節(jié)能，具有廣闊的應(yīng)用前景。