空氣預(yù)熱器密封片失效原因分析及建議

姜應(yīng)勇 ， 黃雪飛 ， 董 猛

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

0 引言

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、材料用量少且容易布置[1]，在電力、冶金、化工等行業(yè)都有十分廣泛的應(yīng)用。通常采用立式布置，逆流換熱。空氣預(yù)熱器的冷端處于冷空氣入口和冷卻后的煙氣出口位置，燃煤機(jī)組的冷端平均溫度（排煙溫度與進(jìn)風(fēng)溫度的平均值）通常為60～80 ℃，燃油機(jī)組則通常為90～120 ℃?？諝忸A(yù)熱器冷端設(shè)備均處于低溫腐蝕區(qū)域，極易形成低溫飛灰粘結(jié)和堵塞現(xiàn)象[2]。而蒸汽吹灰被認(rèn)為是緩解堵塞的有效方法之一[3]。

除腐蝕和堵塞問題外，空氣預(yù)熱器常見問題還包括漏風(fēng)。為有效降低漏風(fēng)率、提高鍋爐運(yùn)行的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性，包括柔性密封技術(shù)在內(nèi)的新型密封技術(shù)，近年來在電站鍋爐空氣預(yù)熱器上得到了廣泛的工程實(shí)際應(yīng)用，并取得了良好的漏風(fēng)率控制效果[4-6]。

燃油電廠在機(jī)組投運(yùn)一段時(shí)間后出現(xiàn)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率大幅度升高，停機(jī)檢修過程中發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器冷端徑向密封片破裂、減薄、脫落，但密封片的支撐鋼板和其他部件均狀況良好。分析認(rèn)為密封片損壞是造成空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率上升的主要原因；因此，密封片的失效研究對(duì)保證機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性尤為重要。本研究可為火電廠運(yùn)行及檢修提供借鑒和參考。

1 密封片的檢測

空氣預(yù)熱器冷端密封片全部發(fā)生損壞，對(duì)從電廠現(xiàn)場取回的空氣預(yù)熱器失效密封片依次進(jìn)行宏觀分析、理化檢驗(yàn)及電鏡分析。

1.1 宏觀分析

圖1 密封片宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of air preheater seal

密封片正表面黏結(jié)性積灰嚴(yán)重，積灰層與基材附著牢固且已硬化（圖1a）。初步測量，積灰部位的積灰層厚度約為1～2 mm，其余未積灰部位（或者是積灰層剝落區(qū)域）存在明顯赤色銹蝕。積灰層表面溝壑明顯，類似于水流沖洗后留下痕跡。積灰層剝落后，有明顯可見的、相對(duì)密集的銹蝕。在密封片的彎折處，即密封片下側(cè)（圖1b），銹蝕區(qū)域與積灰區(qū)域交界處呈現(xiàn)規(guī)律的波浪形曲線。同時(shí)，每個(gè)波峰所對(duì)應(yīng)的位置即為密封片的破損區(qū)域，且每相鄰兩個(gè)破損位置的間距基本相同。在密封片的銹蝕表面也明顯可見平行的、細(xì)小的、類似于溝壑的沖刷痕跡，與積灰層的沖刷形貌相近。

在密封片樣品的反面，積灰情況并不如正面那樣明顯，其表面以銹蝕為主（圖1c、圖1d）。其最顯著的特征是，密封片的彎折處十分明顯，密封片的末端到彎折處的距離約為2 mm。同時(shí)在密封片破損處周圍存在隱約可見的腐蝕空洞。

密封片的彎折部分，越靠近密封片末端，厚度減薄越嚴(yán)重，最小厚度約為0.3 mm，與原始厚度1.2 mm 相差甚遠(yuǎn)。

1.2 理化檢驗(yàn)

對(duì)密封片進(jìn)行化學(xué)成分分析、金相組織觀察和硬度測試。鑒于樣品的尺寸原因（厚薄不均），無法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。檢測結(jié)果表明，密封片的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4171—2008[7]要求。金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度級(jí)別為8.5 級(jí)，非金屬夾雜含量為C 類1.0，滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4171—2008的要求（圖2）。

依據(jù)GB/T 4340.1—2009[8]，利用401MVD 型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)金相試樣進(jìn)行顯微硬度檢測(HV0.2/10s)，測量結(jié)果分別為HV 199、181、188。GB/T 4171—2008 并未對(duì)密封片的硬度做具體規(guī)定，但是對(duì)抗拉強(qiáng)度要求為490～630 MPa。依據(jù)DIN EN ISO 18265[9]《金屬材料硬度值換算》，將抗拉強(qiáng)度要求換算成硬度值為HV 153～197，由此可見，密封片的硬度值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 電鏡分析

利用JSM-6610 掃描電子顯微鏡及NSS SYSTEM7 能譜儀分析樣品表面積灰層成分，結(jié)果見圖3、表1。

根據(jù)能譜分析結(jié)果，密封片表面物質(zhì)主要為飛灰，同時(shí)含有較高的S。結(jié)合該樣品所處環(huán)境（空氣預(yù)熱器冷端）和黏結(jié)性結(jié)灰的形成特點(diǎn)，判斷積灰層中應(yīng)含有硫酸鹽，且導(dǎo)致密封片表面積灰的主要原因是低溫硫腐蝕。

圖2 金相組織形貌Fig.2 Metallographic morphology

圖3 密封片表面形貌及表面產(chǎn)物能譜分析圖Fig.3 Surface micro-morphology of air preheater seal and spectrum analysis of surface products

表1 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Energy spectrum analysis results of corrosion products (mass fraction /%)

2 分析與討論

冷端徑向密封片位于空氣預(yù)熱器的冷端，是整個(gè)空氣預(yù)熱器區(qū)域煙氣溫度較低的地方，也是積灰和腐蝕優(yōu)先發(fā)生的區(qū)域。

當(dāng)鍋爐燃煤中S 含量較高或者空氣預(yù)熱器排煙溫度較低時(shí)，即冷端部件金屬壁溫低于硫酸露點(diǎn)溫度，煙氣中的SO3與水蒸氣（或者外來水源）反應(yīng)生成的硫酸易在冷端部件凝結(jié)，形成硫酸露點(diǎn)腐蝕；另一方面，捕捉煙氣中的飛灰，造成低溫黏結(jié)性積灰，加之低溫腐蝕形成金屬表面粗糙，與積灰相互促進(jìn)，這也是該電廠空氣預(yù)熱器冷端區(qū)域密封片表面積灰（圖1）的主要原因[10-11]。

低溫硫酸露點(diǎn)腐蝕會(huì)造成密封片在表面生成腐蝕產(chǎn)物，造成厚度減薄現(xiàn)象[12]，加之密封片始終沿同一個(gè)方向與扇形板持續(xù)刮擦，密封片受到刮擦的部分不斷露出新鮮的金屬表面（具有一定保護(hù)作用的腐蝕產(chǎn)物在刮擦作用下掉落），又加速了密封片的腐蝕，使密封片減薄程度加劇。所以低溫硫酸腐蝕和摩擦是造成密封片刮擦部分（即彎折部分）減薄的原因之一，也是密封片其余部分與刮擦部分厚度差異明顯的原因。

值得注意的是，這里的密封片破損是非常有規(guī)律的。在密封片的破損區(qū)域，往往對(duì)應(yīng)的基材表面沖刷產(chǎn)生的溝壑非常明顯，且越靠近密封片末端，沖刷磨損的范圍越寬。通過周圍的黏結(jié)性積灰層形貌（圖4）可以判斷，在空氣預(yù)熱器運(yùn)行的時(shí)候，此區(qū)域受到大量的、有規(guī)律的重復(fù)沖刷，這也是每一處破損區(qū)域的距離相同的根本原因。沖刷會(huì)留下沖刷痕跡，也會(huì)減薄相應(yīng)區(qū)域的鋼板厚度。當(dāng)沖刷達(dá)到一定程度時(shí)，厚度減薄的密封片載荷無法滿足外力時(shí)，密封片即從其末端發(fā)生破損，并隨著其運(yùn)行時(shí)間的增加，其破損范圍會(huì)逐漸擴(kuò)大。

圖4 密封片形貌Fig.4 Appearance of air preheater seal

結(jié)合電廠的實(shí)際運(yùn)行情況，有規(guī)律的沖刷最有可能來自于兩個(gè)方面：蒸汽吹灰器吹灰和高壓水沖洗。蒸汽吹灰器吹灰時(shí)蒸汽對(duì)換熱元件的沖擊力使換熱元件受到吹損[13]。高壓水沖洗壓力大、且相對(duì)分散，不易形成規(guī)律的吹損區(qū)域，而吹灰蒸汽吹掃導(dǎo)致密封片損壞的可能性較大。當(dāng)吹灰蒸汽存在過熱度不足或者疏水時(shí)間不夠時(shí)，蒸汽帶水極易造成對(duì)吹灰器噴嘴初始停留位置區(qū)域（即轉(zhuǎn)子外圈）的密封片產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，當(dāng)吹灰器噴嘴到達(dá)行程末端（即轉(zhuǎn)子內(nèi)圈）時(shí)，蒸汽帶水情況減輕，對(duì)密封片的沖擊程度也相應(yīng)減弱。這也與圖4 所示的轉(zhuǎn)子外圈損壞明顯，而轉(zhuǎn)子內(nèi)圈相對(duì)完好的特征相符合。吹灰蒸汽帶水不但會(huì)加劇積灰，也會(huì)促進(jìn)硫酸露點(diǎn)腐蝕。

3 結(jié)論

1）低溫硫酸露點(diǎn)腐蝕、密封片刮擦以及吹灰蒸汽帶水是導(dǎo)致密封片快速失效的主要原因，三者中又以吹灰蒸汽帶水作用為甚。

2）保證吹灰蒸汽的過熱度，并在蒸汽吹灰器投入前充分疏水，可避免或者降低密封片的破損。一般情況下，吹灰蒸汽過熱度應(yīng)不低于120 ℃，蒸汽壓力應(yīng)不高于1.2 MPa，吹灰管路的疏水時(shí)間應(yīng)不低于20 min，或疏水溫度高于280 ℃。