防止超超臨界機(jī)組鍋爐受熱面高溫腐蝕試驗(yàn)情況

吳開念

（國(guó)家電投集團(tuán)貴州金元綏陽產(chǎn)業(yè)有限公司，貴州綏陽 563305）

1 概述

某發(fā)電廠準(zhǔn)備建設(shè)兩臺(tái)1000MW 超超臨界火力發(fā)電機(jī)組，由于設(shè)計(jì)煤種平均硫份在3.8%以上，按照常規(guī)設(shè)計(jì)，初蒸汽參數(shù)只能按照570℃進(jìn)行設(shè)計(jì)，這勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，通過與設(shè)計(jì)院及有關(guān)專家開展技術(shù)論證，如果需要設(shè)計(jì)為超超臨界機(jī)組，必須采取措施將煤質(zhì)硫份降低至1.5%，否則會(huì)導(dǎo)致鍋爐受熱面出現(xiàn)嚴(yán)重的高溫硫腐蝕。為此，籌備處尋找有資質(zhì)的單位開展燃煤洗選可行性報(bào)告編制，通過對(duì)提供的煤質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)論為目前國(guó)內(nèi)普遍采用的原煤洗選技術(shù)，最多可以將試驗(yàn)煤樣的硫份降低至2.0%，仍然不能滿足設(shè)計(jì)超超臨界機(jī)組的要求。因此，在燃煤洗選的基礎(chǔ)上，籌備處決定對(duì)鍋爐受熱面采取高溫噴涂方式進(jìn)行防護(hù)，通過大量調(diào)研，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)火力發(fā)電大容量高參數(shù)鍋爐采用噴涂防磨的業(yè)績(jī)較多，類似工程采用高溫腐蝕防護(hù)的業(yè)績(jī)較少，沒有成功的經(jīng)驗(yàn)，于是在調(diào)研的基礎(chǔ)上，委托西安熱工研究院對(duì)本工程燃用煤質(zhì)做防腐論證試驗(yàn)并編制了試驗(yàn)報(bào)告，聘請(qǐng)國(guó)內(nèi)材料研究比較權(quán)威的專家、設(shè)計(jì)院相關(guān)專家、部分高溫噴涂廠家對(duì)報(bào)告進(jìn)行評(píng)審，評(píng)審結(jié)論為：采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備的Ni-Cr 金屬陶瓷涂層對(duì)燃用含硫量約2%～4%的發(fā)電廠超超臨界鍋爐高溫受熱面進(jìn)行高溫腐蝕預(yù)防護(hù)的方案是可行的。但該報(bào)告畢竟只是實(shí)驗(yàn)室做出的結(jié)果，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)論，籌備處制定了開展現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)的方案。

2 試驗(yàn)方案

試片準(zhǔn)備：委托西安熱工研究院根據(jù)報(bào)告選用的工藝和材料，提供了10 件試樣，其中片狀試樣8 件，基材為碳鋼；管狀試樣2 件，基材為低合金耐熱鋼。噴涂涂層材質(zhì)Ni-Cr 陶瓷合金，涂層厚度0.4～0.5mm。試樣類型如下：

（1）片狀 3 片，尺寸 45×60×5mm，未噴涂。

（2）片狀 5 片，尺寸 45×60×5.5mm，已噴涂。

（3）管狀 1 件，尺寸 φ62×100mm，未噴涂。

（4）管狀 1 件，尺寸 φ62×200mm，已噴涂。

現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)條件：在籌備處收集大量資料和調(diào)研中了解到，由于水冷壁、過熱器、再熱器等受熱面管壁在運(yùn)行中積結(jié)的復(fù)合硫酸鹽，在高溫下（550～710℃）下形成液態(tài)復(fù)合硫酸鹽對(duì)管壁金屬具有腐蝕作用，特別是在650～700℃時(shí)最為嚴(yán)重，該溫度范圍正好是超超臨界機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的管壁溫度。通過實(shí)地調(diào)研省內(nèi)某火力電廠的1 號(hào)機(jī)組，容量為200MW，鍋爐由東方鍋爐廠制造。燃用煤質(zhì)硫份2.6%，灰分42.28%，揮發(fā)分16.52%。查歷史煙氣溫度區(qū)域范圍，200MW 負(fù)荷時(shí)高再凝渣管處煙氣溫度650～690℃；160MW 負(fù)荷高再凝渣管處煙氣溫度 550～609℃；150MW 負(fù)荷高再凝渣管處煙氣溫度570～600℃。平均80%以上負(fù)荷高再凝渣管處煙氣溫度能夠達(dá)到600～700℃。所以該火力發(fā)電廠高溫再熱器出口凝渣管處符合試片試驗(yàn)環(huán)境，決定將試片安裝在A 側(cè)高再出口凝渣管處。

試驗(yàn)時(shí)間：一年。

3 試驗(yàn)情況

3.1 試驗(yàn)掛片安裝在試驗(yàn)鍋爐的試驗(yàn)絕對(duì)時(shí)間

試片于2010 年11 月利用該電廠1 號(hào)爐大修期間掛設(shè)在鍋爐高溫再熱器（凝渣管）處，自2010 年12 月25 日大修后投運(yùn)到2012 年2 月3 日停機(jī)，已經(jīng)運(yùn)行13 個(gè)月時(shí)間（在這期間，該廠1號(hào)機(jī)組運(yùn)行125d 后，于2011 年5 月1 日停機(jī)，對(duì)試片情況做個(gè)一次檢查），這段時(shí)間內(nèi)除機(jī)組各種原因停運(yùn)以外，機(jī)組負(fù)荷均在105MW 以上運(yùn)行。2011 年全年1 號(hào)爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為7462h，從該廠1 號(hào)爐起停時(shí)間記錄表1 可以看出，在2011 年1號(hào)爐共有45d 時(shí)間停機(jī)未運(yùn)行，除掉這些停機(jī)時(shí)間，加上2010 年12 月25 日至12 月31 日的運(yùn)行時(shí)間和2011 年1 月份的運(yùn)行時(shí)間，試片在爐內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過8000h，如表1 所示。

3.2 試驗(yàn)鍋爐的煙溫曲線圖

機(jī)組負(fù)荷為200MW 左右時(shí)，高溫再熱器后的煙氣溫度700℃以上，機(jī)組負(fù)荷為150MW 左右時(shí)，高溫再熱器后的煙氣溫度在650℃左右，機(jī)組負(fù)荷為105MW 左右時(shí)，高溫再熱器后的煙氣溫度在580℃以上。從該廠運(yùn)行人員了解到，該廠2010 年大修后，全年1 號(hào)爐在150MW 以上負(fù)荷占較大比例，最低運(yùn)行負(fù)荷在105MW。由此可以判斷，試片在該廠1 號(hào)爐內(nèi)650℃以上煙氣溫度的運(yùn)行時(shí)間占較大比例，符合當(dāng)初安裝條件要求在600～700℃的煙氣溫度范圍。

表1 1 號(hào)爐起停時(shí)間記錄

3.3 試片爐內(nèi)抗氧化腐蝕情況

通過爐內(nèi)觀察，未經(jīng)噴涂的試片出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化皮剝落現(xiàn)象，試片表面發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。經(jīng)過噴涂的試片涂層基本完好，除其中一塊出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)脫皮以外（稍后分析），大部分涂層基本上未出現(xiàn)起皮、脫落現(xiàn)象。因長(zhǎng)時(shí)間在爐內(nèi)高溫環(huán)境下，這次檢查發(fā)現(xiàn)試片發(fā)生迎煙氣方向彎曲現(xiàn)象，但彎曲的試片涂層完好，未因彎曲變形而出現(xiàn)涂層脫落，這也證明涂層材質(zhì)在這一段時(shí)間內(nèi)起到保護(hù)母材的良好效果。

在這次檢查中發(fā)現(xiàn)有一個(gè)試片上邊緣出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)脫皮現(xiàn)象，但試片其他位置涂層完好。

經(jīng)過比較，這一位置出現(xiàn)脫皮的原因是該試片上邊緣在制作涂層時(shí)的夾持位置涂層薄弱，在長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)煔猸h(huán)境中，母材受到氧化、腐蝕等，使涂層起皮向外膨脹。

現(xiàn)將試片運(yùn)行前后的對(duì)比照列于下面，見下組圖1、2 所示，可以看出，試片經(jīng)過8000h 運(yùn)行后，涂層基本上依然完好，起到保護(hù)母材的良好效果，未經(jīng)噴涂的試片在經(jīng)過4 個(gè)月的運(yùn)行時(shí)間就出現(xiàn)表面脫層、氧化、腐蝕的現(xiàn)象，證明在含硫分較高的高溫?zé)煔猸h(huán)境中，受熱面管除選擇耐高溫腐蝕較好的材料外，對(duì)受熱面管外壁做防磨防腐噴涂處理是非常必要的。

組圖1 試片一，未經(jīng)噴涂涂層的原始安裝圖片。

同一試片運(yùn)行13 個(gè)月后圖片。

組圖2 試片二，經(jīng)噴涂涂層的原始安裝圖片。

同一試片運(yùn)行13 個(gè)月后的圖片。

4 結(jié)論

未經(jīng)噴涂的試片在4 個(gè)月后（約2800h）就出現(xiàn)高溫氧化、腐蝕、起皮現(xiàn)象，基材在長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)煔猸h(huán)境中已經(jīng)出現(xiàn)的嚴(yán)重的損傷。經(jīng)完整噴涂的試片在相似環(huán)境通過8000h 運(yùn)行后，涂層依然完好，未出現(xiàn)磨損、腐蝕、氧化、起皮現(xiàn)象，起到保護(hù)母材的良好效果。因此，采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備的Ni-Cr 金屬陶瓷涂層對(duì)燃用含硫量較高的火力發(fā)電廠超超臨界鍋爐高溫受熱面進(jìn)行高溫腐蝕能起到較好的防護(hù)作用。