直流爐發(fā)電機(jī)組中流動(dòng)加速腐蝕機(jī)理及抑制方法

于 洋， 康艷昌， 周 洋

(華電電力科學(xué)研究院有限公司， 濟(jì)南 250014)

隨著火力發(fā)電機(jī)組利用時(shí)間的降低及環(huán)保要求的提高，各發(fā)電集團(tuán)新增燃煤發(fā)電機(jī)組以更為經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的超臨界和超超臨界直流爐發(fā)電機(jī)組為主。在高參數(shù)直流爐發(fā)電機(jī)組中，高壓加熱器及疏水管道等爐前熱力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)有了較大提高，易發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕(FAC)。FAC發(fā)生時(shí)會(huì)引起腐蝕部位的迅速減薄甚至破裂，給生產(chǎn)帶來安全隱患。產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物會(huì)隨著水汽遷移，沉積于省煤器、水冷壁、汽輪機(jī)葉片及熱力系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥等部位，進(jìn)而帶來機(jī)組水汽流程阻力增加、鍋爐化學(xué)清洗周期縮短、鍋爐受熱面過熱爆管等問題。

抑制直流爐發(fā)電機(jī)組中FAC的發(fā)生，可有效提高發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性及經(jīng)濟(jì)性。筆者通過對(duì)直流爐發(fā)電機(jī)組中FAC的機(jī)理、危害、鐵腐蝕產(chǎn)物遷移、抑制方法等方面的研究，并結(jié)合案例進(jìn)行分析，提出了抑制FAC的方法。

1 FAC機(jī)理

1.1 FAC機(jī)理及腐蝕產(chǎn)物

FAC主要是碳鋼表面保護(hù)性的磁鐵礦層(Fe3O4)在單相流動(dòng)的水(如高壓加熱器水側(cè))或兩相濕蒸汽(如高壓加熱器疏水管道)中“腐蝕溶解”的過程。直流爐發(fā)電機(jī)組的水汽系統(tǒng)腐蝕是金屬表面腐蝕產(chǎn)物不斷生成、沉積和在水汽中溶解的過程。在多數(shù)運(yùn)行工況中，金屬表面腐蝕產(chǎn)物的生成和溶解速率相同，金屬表面沉積有一定厚度的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的存在對(duì)金屬本體有保護(hù)作用。采用全揮發(fā)處理(AVT)的直流爐發(fā)電機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)及給水系統(tǒng)的腐蝕產(chǎn)物溶解進(jìn)入水汽中的速度比金屬表面腐蝕產(chǎn)物生成速度快，金屬表面腐蝕產(chǎn)物沉積層很薄，腐蝕產(chǎn)物沉積層不足以對(duì)金屬本體進(jìn)行有效保護(hù)。在發(fā)生嚴(yán)重FAC的金屬表面甚至?xí)懵冻鲇泄鉂傻慕饘俦倔w，F(xiàn)AC會(huì)使金屬基體迅速減薄，在發(fā)生嚴(yán)重FAC時(shí)，每年管壁減薄高達(dá)3 mm[1]。

1.2 影響因素

FAC的發(fā)生受多種因素的影響，主要包括系統(tǒng)金屬材質(zhì)、水汽系統(tǒng)流體動(dòng)力、機(jī)組參數(shù)及給水處理方式等。

金屬材料中Cr、Cu、Mo[2]等元素生成的腐蝕產(chǎn)物溶解度低，這些溶解度低的腐蝕產(chǎn)物沉積在Fe3O4層孔隙中，提高了Fe3O4層的致密性與完整性，對(duì)FAC的抑制作用明顯。

流速很大程度上影響FAC的快慢，這不是簡(jiǎn)單取決于整體流速，也受局部速度的影響，如表面幾何形狀、流道幾何形狀和湍流程度[1]。異形區(qū)域影響了傳質(zhì)，導(dǎo)致湍流的形成，在湍流區(qū)域易引起FAC發(fā)生。

直流爐發(fā)電機(jī)組給水溫度高，一方面降低了水的黏度，減薄了滯流層，F(xiàn)e2+更容易穿過氧化膜進(jìn)入水中，使傳質(zhì)速度提高；另一方面，F(xiàn)e-H2O體系的能量升高，使得碳鋼的腐蝕更容易達(dá)到反應(yīng)所需的活化能，腐蝕速度加快[3]。由于近年來裝機(jī)容量的增長(zhǎng)速率大于用電量的增長(zhǎng)速率，造成現(xiàn)有燃煤機(jī)組普遍處于較低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，600 MW超臨界直流發(fā)電機(jī)組最近一個(gè)大修周期內(nèi)負(fù)荷在75%汽輪機(jī)熱耗驗(yàn)收(THA)負(fù)荷左右。當(dāng)600 MW超臨界直流發(fā)電機(jī)組在75%THA負(fù)荷時(shí)，給水系統(tǒng)高壓加熱器進(jìn)出口溫度在150～300 ℃[4]，低于100%THA負(fù)荷時(shí)的180～310 ℃，處在易發(fā)生FAC的溫度區(qū)間。另外，由于長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行、非正常運(yùn)行等，顯著增加了管道中及給水加熱器中產(chǎn)生FAC破壞的可能性[5]。

1.3 易發(fā)生位置

受多種因素的影響，在直流爐發(fā)電機(jī)組中常發(fā)生FAC的系統(tǒng)主要有低壓加熱器水室及疏水管道、除氧器、高壓加熱器水室及疏水管道。高低壓加熱器水室和除氧器屬于大修化學(xué)檢查項(xiàng)目，電廠人員易于掌握其腐蝕情況。疏水管道等不屬于大修化學(xué)檢查項(xiàng)目，且不易進(jìn)行內(nèi)部檢查，存在較大泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

2 FAC的危害

在直流爐發(fā)電機(jī)組爐前系統(tǒng)中，高低壓加熱器、給水管道、疏水管道等的材質(zhì)主要為碳鋼或低合金鋼。凝結(jié)水經(jīng)過除氧器熱力除氧后進(jìn)入給水系統(tǒng)，進(jìn)行AVT時(shí)，由于給水中的溶解氧質(zhì)量濃度正常情況下小于3.0 μg/L，給水系統(tǒng)處于還原性或弱氧化性環(huán)境中，金屬本體表面產(chǎn)生的保護(hù)層疏松，易導(dǎo)致FAC。

高壓加熱器水室內(nèi)部情況為機(jī)組大修化學(xué)檢查項(xiàng)目，通過對(duì)7臺(tái)機(jī)組的大修化學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)FAC最易發(fā)生在給水系統(tǒng)高壓加熱器水室內(nèi)壁及隔板位置。7臺(tái)機(jī)組的高壓加熱器大修化學(xué)檢查情況見表1，AVT(O)為弱氧化性全揮發(fā)處理，OT為加氧處理。

表1 不同機(jī)組高壓加熱器腐蝕情況

從降低爐前系統(tǒng)的腐蝕及保護(hù)人員健康的方面考慮，直流爐發(fā)電機(jī)組普遍在正式投產(chǎn)后或基建調(diào)試階段采用AVT(O)。從以上5臺(tái)采用AVT(O)的機(jī)組大修化學(xué)檢查可以發(fā)現(xiàn)高壓加熱器水室存在FAC問題。在部分高壓加熱器水室內(nèi)部結(jié)構(gòu)異形區(qū)域出現(xiàn)FAC形成的溝槽，水室隔板由于長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕引起穿孔泄漏等情況見圖1。而采用OT的機(jī)組在高壓加熱器水室大修檢查中未發(fā)現(xiàn)FAC發(fā)生。

圖1 高壓加熱器水室隔板穿孔泄漏

3 鐵腐蝕產(chǎn)物的遷移及影響

3.1 鐵腐蝕產(chǎn)物的遷移

當(dāng)發(fā)生FAC時(shí)，爐前系統(tǒng)金屬本體的鐵基質(zhì)丟失，腐蝕產(chǎn)物隨著水汽的流動(dòng)遷移到省煤器、水冷壁，隨著水汽參數(shù)及熱負(fù)荷的變化，鐵腐蝕產(chǎn)物引起結(jié)垢、積鹽，對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成不利影響。核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器中的沉積物主要為鐵腐蝕產(chǎn)物，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%以上，主要以磁鐵礦(Fe3O4)形式存在[6]。在某垂直管圈直流爐發(fā)電機(jī)組中水冷壁節(jié)流孔板上沉積物主要成分為Fe3O4，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)95.6%[7]，而省煤器及水冷壁90%沉積物來自高低壓加熱器等爐前系統(tǒng)的腐蝕產(chǎn)物。直流爐發(fā)電機(jī)組凝結(jié)水通過給水泵加壓后進(jìn)入高壓加熱器，給水參數(shù)遠(yuǎn)高于亞臨界機(jī)組，F(xiàn)e3O4的溶解度及鐵腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散速率較大，進(jìn)而進(jìn)入水汽系統(tǒng)。

3.2 鐵的腐蝕、遷移及沉積影響

3.2.1 鐵的腐蝕、遷移

在局部流速變化和湍流的形成部位易發(fā)生FAC，包括彎頭、三通管道、調(diào)節(jié)閥下游等部位的金屬基質(zhì)會(huì)迅速減薄，最終可能在薄弱部位發(fā)生突然泄漏。

鐵腐蝕產(chǎn)物通過過熱蒸汽、再熱蒸汽及疏水等攜帶進(jìn)入凝結(jié)水中，凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵的提升進(jìn)入凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，過高的鐵含量會(huì)對(duì)精處理樹脂造成污染。樹脂鐵污染會(huì)增加樹脂再生難度，降低樹脂的交換容量、使用壽命和凝結(jié)水精處理混床周期制水量。

3.2.2 鐵腐蝕產(chǎn)物沉積

在垂直管圈水冷壁直流機(jī)組中腐蝕產(chǎn)物易在節(jié)流孔圈處沉積，造成通流面積減小，引起水冷壁管過熱甚至爆管。腐蝕產(chǎn)物在鍋爐受熱面結(jié)垢會(huì)影響受熱面?zhèn)鳠嵝?，造成鍋爐流程壓差上升快及縮短鍋爐本體化學(xué)清洗周期。過熱蒸汽及再熱蒸汽攜帶的腐蝕產(chǎn)物在汽輪機(jī)高低壓缸結(jié)垢，積鹽速率高會(huì)降低汽輪機(jī)出力，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。

3.2.3 某機(jī)組水汽中鐵的遷移沉積情況

對(duì)存在FAC的某600 MW超臨界直流爐發(fā)電機(jī)組A的凝結(jié)水(精處理裝置出口)、給水、過熱蒸汽的鐵質(zhì)量濃度每周進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，取檢測(cè)結(jié)果的月平均值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖2。

圖2 機(jī)組A鐵質(zhì)量濃度比較

由圖2可以看出：在跟蹤檢測(cè)周期內(nèi)，凝結(jié)水中的鐵質(zhì)量濃度均低于給水中的鐵質(zhì)量濃度，說明高低壓加熱器等爐前系統(tǒng)發(fā)生了腐蝕，腐蝕產(chǎn)物的遷移增加了給水中的鐵質(zhì)量濃度；在87.5%檢測(cè)周期，過熱蒸汽中鐵質(zhì)量濃度低于給水中的鐵質(zhì)量濃度，在12.5%檢測(cè)周期，過熱蒸汽中鐵質(zhì)量濃度與給水的鐵質(zhì)量濃度相同或稍高，說明給水中攜帶的鐵腐蝕產(chǎn)物在鍋爐省煤器和水冷壁上發(fā)生了沉積。在大修化學(xué)檢查中發(fā)現(xiàn)省煤器管段結(jié)垢量遠(yuǎn)大于水冷壁管道結(jié)垢量，沉積過程主要發(fā)生在省煤器。

4 抑制FAC的方法

為有效抑制FAC，保證設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，應(yīng)避免爐前系統(tǒng)FAC發(fā)生，筆者認(rèn)為可以從設(shè)計(jì)選材和運(yùn)行方面(包括調(diào)節(jié)pH、采用AVT(O)或OT)進(jìn)行控制。

4.1 設(shè)計(jì)選材

高壓加熱器正常疏水采用逐級(jí)串聯(lián)方式，最后一級(jí)高壓加熱器疏水進(jìn)入除氧器。除正常疏水外，各加熱器還單獨(dú)設(shè)有至凝汽器疏水?dāng)U容器的危急疏水管路。當(dāng)高壓加熱器疏水流經(jīng)疏水調(diào)節(jié)閥時(shí)，在閥芯節(jié)流的影響下，部分疏水在閥后汽化，造成兩相濕蒸汽，高速流動(dòng)的兩相濕蒸汽會(huì)引起管道發(fā)生FAC和管道的振動(dòng)。研究表明，當(dāng)材料中的Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.25%時(shí)[8]，F(xiàn)AC會(huì)得到有效抑制。為抑制FAC的發(fā)生，在設(shè)計(jì)階段可對(duì)易發(fā)生FAC的設(shè)備及管道選用合金鋼，比如存在汽液兩相流的高加疏水管道(包括正常及危急疏水管道)。但由于經(jīng)濟(jì)性的限制，合金鋼在現(xiàn)役機(jī)組爐前系統(tǒng)中的使用范圍有限。在爐前疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，合金鋼的使用一般與減少調(diào)節(jié)閥門后管道長(zhǎng)度、增加管道壁厚及直徑、疏水調(diào)節(jié)閥后第一個(gè)彎頭以三通代替等方法同時(shí)采用來降低兩相濕蒸汽的影響。

4.2 運(yùn)行控制

4.2.1 AVT(O)

由于水汽品質(zhì)較差及運(yùn)行人員操作習(xí)慣等原因，直流爐發(fā)電機(jī)組在投產(chǎn)初期一般采用還原性全揮發(fā)處理(AVT(R))。為了抑制FAC發(fā)生，部分機(jī)組轉(zhuǎn)而采用AVT(O)，并提高了水汽處理的pH(標(biāo)準(zhǔn)要求pH為9.2～9.6，實(shí)際運(yùn)行控制pH為9.4～9.6)。但通過機(jī)組投產(chǎn)后檢查性大修發(fā)現(xiàn)，鍋爐受熱面的沉積速率依舊偏高，部分機(jī)組高壓加熱器水室存在明顯FAC。

4.2.2 OT

在還原性及弱氧化性水中， Fe3O4是爐前系統(tǒng)材料表面形成的主要腐蝕產(chǎn)物。根據(jù)研究表明，疏松多孔的Fe3O4保護(hù)膜對(duì)金屬本體的保護(hù)能力有限，而且Fe3O4在給水系統(tǒng)參數(shù)下有較高溶解度，所以造成鐵腐蝕產(chǎn)物的遷移活動(dòng)較強(qiáng)。要降低給水系統(tǒng)鐵腐蝕產(chǎn)物的遷移，最重要的是降低給水中鐵含量，給水進(jìn)行OT能夠有效降低給水中鐵含量。通過給水OT使得給水處于氧化環(huán)境可以促進(jìn)Fe2O3的水合物(FeOOH)的形成，增強(qiáng)給水系統(tǒng)材料表面保護(hù)膜的防護(hù)能力進(jìn)而減輕FAC發(fā)生。通過凝結(jié)水及給水OT，使材質(zhì)表面生成致密的氧化膜，可以從根本上防止FAC發(fā)生。

4.2.3 AVT(O)與OT的比較

表1中的機(jī)組A、B為同時(shí)期投產(chǎn)的600 MW直流爐發(fā)電機(jī)組，機(jī)組A水汽系統(tǒng)采用AVT(O)，機(jī)組B為垂直管圈直流爐發(fā)電機(jī)組，在投產(chǎn)初期采用AVT(O)，存在鍋爐水冷壁節(jié)流孔圈結(jié)垢導(dǎo)致受熱面過熱爆管，為防止水冷壁過熱爆管采用低氧OT。機(jī)組B在凝結(jié)水精處理設(shè)備出口母管和除氧器下水管設(shè)有加氧點(diǎn)，一般情況下只采用凝結(jié)水精處理設(shè)備出口母管加氧點(diǎn)，控制省煤器入口給水溶解氧質(zhì)量濃度在10～30 μg/L，極端情況下不允許超過50 μg/L。對(duì)機(jī)組A、B的給水及過熱蒸汽的鐵質(zhì)量濃度每周進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，取檢測(cè)結(jié)果的月平均值進(jìn)行比較，24個(gè)月平均值見圖3、圖4。

圖3 機(jī)組A、B給水中的鐵質(zhì)量濃度對(duì)比

圖4 機(jī)組A、B過熱蒸汽中的鐵質(zhì)量濃度對(duì)比

通過圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)：采用OT的給水及過熱蒸汽中的鐵質(zhì)量濃度均低于采用AVT(O)的鐵質(zhì)量濃度，說明在采用OT對(duì)爐前系統(tǒng)FAC及腐蝕產(chǎn)物的遷移有良好的抑制作用。原因是直流爐發(fā)電機(jī)組中大部分的腐蝕產(chǎn)物來自于爐前系統(tǒng)，在OT下爐前系統(tǒng)材料表面保護(hù)膜發(fā)育良好，F(xiàn)AC被明顯抑制，鐵腐蝕產(chǎn)物的生成物減少，腐蝕產(chǎn)物的遷移減少。

在采用OT的機(jī)組中，隨著給水?dāng)y帶的鐵腐蝕產(chǎn)物的減少，省煤器、水冷壁結(jié)垢量降低，過熱蒸汽中鐵質(zhì)量濃度也隨之降低。通過大修化學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，采用AVT(O)的機(jī)組高壓加熱器水室存在不同程度的FAC，采用OT的機(jī)組高壓加熱器水室未發(fā)現(xiàn)FAC。對(duì)采用AVT(O)的機(jī)組省煤器、水冷壁的結(jié)垢量評(píng)價(jià)時(shí)一般為二類，而對(duì)采用OT的機(jī)組對(duì)省煤器、水冷壁的結(jié)垢量評(píng)價(jià)一般為一類。

5 結(jié)語

FAC發(fā)生會(huì)造成設(shè)備或管道本體材料迅速流失，腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入水汽系統(tǒng)主要在鍋爐省煤器、水冷壁等熱負(fù)荷高的部位沉積，進(jìn)而降低了這些部位的傳熱效率，增加了水汽流程阻力和受熱面過熱爆管風(fēng)險(xiǎn)，縮短了化學(xué)清洗間隔時(shí)間及精處理運(yùn)行周期，危害機(jī)組的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

為抑制或防止FAC發(fā)生，在設(shè)計(jì)階段可選用抗FAC的材料，但實(shí)際上由于設(shè)備加工難度、材料費(fèi)用及施工周期等因素，這些材料在易發(fā)生FAC部位使用有限。在正常運(yùn)行階段，電廠一般會(huì)采取停止加入聯(lián)氨、適當(dāng)提高水汽pH等方式對(duì)FAC進(jìn)行抑制，但實(shí)際效果有限。通過運(yùn)行情況看，采用給水OT可以有效防止FAC的發(fā)生，減少機(jī)組水汽中的鐵含量，從而降低鍋爐、汽輪機(jī)結(jié)垢速率，增加精處理系統(tǒng)的周期制水量。