循环流化床锅炉受热面磨损机理探讨

循环流化床锅炉受热面磨损机理探讨

刘志华

广东拓奇电力技术发展有限公司

摘要：本文从一起电站锅炉的爆管事故中，通过理化试验分析事故产生的原因，从而进一步提出了循环流化床锅炉易产生受热面爆管的因素，为了保证机组运行平稳，提出了锅炉运行中的注意事项以及爆管的防范措施。

关键词：爆管事故循环流化床锅炉

一、研究背景

循环流化床是国内当前发电机组推广的一种洁净煤燃烧技术，可燃用烟煤、贫煤、褐煤、无烟煤、煤矸石等各种燃料，燃料适应性好，锅炉负荷调节范围广，低成本、低污染排放。在循环流化床锅炉中，有许多部件工作在高温、高固体颗粒不断冲刷环境下，虽然已采取了一些防磨损措施，但循环流化床锅炉的运行结果表明，锅炉设备的磨损仍是十分严重的，经常由于磨损问题造成停炉。由于循环流化床锅炉水冷壁管受到炉膛中气固两相流的冲刷，磨损严重，是引起水冷壁管爆管的主要原因，因此如何从防磨损机理出发，采取进一步的防磨损措施，对循环流化床锅炉的推广应用和稳定运行是一个十分现实又重要的问题。

二、磨损特征及机理分析

2.1磨损机理研究现状及机理

循环流化床锅炉内的炉膛水冷壁管的磨损过程是十分复杂的。在循环流化床锅炉中，烟气中颗粒对受热面撞击产生的磨损，与煤粉锅炉尾部受热面的冲刷磨损相类似。这种磨损的形式大致可以分为两类：一类是在碰撞过程中使材料受交变应力引起的疲劳磨损，另一类是材料在自由运动的颗粒的切削作用下引起的破坏，称之为凿削式磨损，磨损的方式与颗粒的冲击角度有很大的关系。垂直冲击式时，没有凿削式磨损，仅是疲劳磨损，磨损很轻微，这种情况在实际中很少，因为一般气流方向和水冷壁接近于平行；当冲击角度很小时，磨损最严重，一般气流，颗粒飞行的方向和水冷壁之间的角度很小。所以，循环流化床锅炉中的疲劳磨损非常小，主要是凿削式磨损。循环流化床锅炉本身的特性决定了气固两相流动对受热面的作用是必然存在的。较大的物料浓度是锅炉性能的基本要求，是燃烧、传热和脱硫的必要条件。在两相流动中，由于边壁效应，与受热面接触的颗粒，无论是上升流还是下降流，绝大部分颗粒与受热面表面的相对速度比较慢，通常速度在2m/s以下，这些颗粒的磨损非常小，主要是产生均匀磨损，不会引起局部剧烈磨损，引起爆管现象的发生。在实际燃烧中，循环流化床上还是依赖于气泡的生成与破裂形成扬析夹带，而气泡的碎裂会以高达每秒数十米的速度将颗粒抛向上部空间，而这些颗粒的方向是不规则的，这是产生改变与受热面直接接触颗粒方向的重要动力之一，当然从机理上也是水冷壁磨损的重要原因。炉内局部射流，包括给料射流（燃料和脱硫剂）、固体物料回送口射流、布风板风帽的空气射流、二次风射流、高温蒸汽的冲刷等。水冷壁管子的磨损，与受热面布置在炉膛内的形状有关，还取决于灰颗粒的物理性质。这些磨损的动力，归根到底来源于流化速度。因此，影响循环流化床锅炉受热面磨损的因素较多。

2.2损坏特征

1、破口描述：破口形状近似矩形；长240mm，宽65mm；破口处无氧化物，且管内壁较为干净，没有水垢；管子表面没有氧化物和淡红色异物，但较为粗糙；破口处管子周长变化不大，破口断面较为锐利（最小壁厚值为1.6mm）。

2、测厚：水墙管位于B侧墙（右侧墙）中间部位由东向西数（即由后墙数）第41号管，爆管破口标高21400mm，低于吊屏下边水平管段一米，水平相距1.2米，紧邻上次修换的7根水管，属二过吊屏爆管冲刷边缘区；对周围同标高位置各管进行壁厚测厚结果表示所测管截面最小值部位均在与侧墙呈45°左右方向。

3、测硬度：将破口附近管子进行测硬度，测值比较后其硬度值变化不大，但破口处硬度值较高。

4、金相分析：破口边缘部分显微组织有马氏体加铁素体。

2.3磨损机理分析

循环流化床锅炉燃烧煤种热值过低，烟气中飞灰浓度大，煤矸石较多，颗粒又较大，级配比也不合适，使得受热面磨损也比较严重，经常发生由于磨损造成的锅炉爆管泄漏故障。因为在实际燃烧中，循环流化床上主要是依赖于气泡的生成与破裂形成扬析夹带，而气泡的碎裂会以高达每秒数十米的速度将颗粒抛向上部空间，而这些颗粒的方向是不规则的，这是产生改变与受热面直接接触颗粒方向的重要动力之一，当然从机理上也是水冷壁磨损的重要原因。上次屏过爆管后，高温过热蒸汽夹带炉内烟尘的高速射流对管壁的冲刷，致使管壁减薄，防磨层的严重破坏，由于当时该管处于冲刷区域边缘，其减薄量不大没有进行维修、更换。在随后运行时，没有防磨层的保护，使水冷壁的磨损加剧，致使壁厚减薄加速，最终导致爆管事故的发生。

三、磨损原因分析及应对措施

3.1磨损原因分析

本次爆管处就是上次屏式过热器爆管高温蒸汽冲刷区，上次屏过爆管后，高温过热蒸汽夹带炉内烟尘的高速射流对管壁的冲刷，致使管壁减薄，由于当时该管处于冲刷区域边缘，其减薄量不大而未更换。但由于上次的高温射流冲刷，使得防磨喷涂层遭到严重破坏，在随后运行时，高温烟气中的烟尘随着气流不断的冲刷，致使壁厚减薄加速，且在冲刷过程中不断伴随粉尘颗粒冲撞和划伤，出现的划槽产生的应力与升压的内压进行叠加，最终使得磨损加剧处的管壁强度严重降低而发生爆管。破口处过热状况是由于高速汽水向外喷射使得高温破口处金属快速冷，发生了淬火，在破口边缘部分显微组织有马氏体加铁素体的出现，硬度值升高。上次，因吊屏爆管已经更换的管子，由于没有进行即使的防磨喷涂处理，随着运行过程中烟尘气流的不断冲刷，造成此次壁厚减薄也较为严重。

3.2应对措施

对更换的管子进行采用热喷涂，在水冷壁管磨损区域或部位喷涂硬质合金金属耐磨层来提高耐磨性，或在需要防磨的金属材料表面，堆焊一定厚度的熔焊金属，使母材具有较高的抗磨损性能，及时更换已减薄的管子。对于最容易受磨损蒸发管部位，所有直管段迎风面全部增装半圆形防磨护瓦，所有弯头部位都采用半圆形防磨护瓦对扣包裹焊接，防磨材料根据防磨位置烟气温度选取。锅炉运行中调整好一次风、二次风、三次风风量配比，流化风速控制在3．5―4．0m／s较低范围内，保证蒸发管处烟气流速在5．5m／s左右。煤种尽量选择热值较高、中低等磨损的烟煤，有利于降低飞灰浓度减少磨损。

四、锅炉腐蚀的成因和特点

锅炉停用期间，因空气进入锅内发生结露、锅水与空气中的氧气对锅炉钢材产生的侵蚀叫停炉腐蚀。当下列三个因素同时存在时，停炉腐蚀就有可能发生：

①锅炉金属表面没有足够的保护膜（包括水垢、油漆或疏水性烷基化合物）使之与空气、水隔离；

②停炉期间锅炉压力低于大气压力，空气侵入锅炉内时氧气作为钢材腐蚀的氧化剂；

③锅炉内有水或空气中的水蒸汽在锅内结露产生水滴，成为腐蚀的中间介质。当锅内的水为酸性或强碱性时可单独构成腐蚀，水中有较高浓度的CL-、SO42-时，可加速停炉腐蚀。与自然环境中的钢材在水中腐蚀不同的是，在锅炉内，由于水难以蒸发干燥，而水蒸汽（包括空气中的水蒸汽）极易结露形成水滴，所以产生的腐蚀大多数为局部腐蚀或氧浓差电池腐蚀，与一般腐蚀相比，破坏性更大。

五、锅炉受热面腐蚀及预防

锅炉受热面腐蚀减薄损坏，因涉及范围较大，一旦暴露，常导致重复爆漏停炉，而且修复工作量大，因此预防及保护设备不受腐蚀是提高机组可用率必须解决的基本任务之一。汽、水侧腐蚀按其机理分，包括苛性腐蚀、氢损害、氧腐蚀、垢下腐蚀及应力腐蚀。烟气侧腐蚀包括水冷壁向火侧腐蚀、高温煤灰（油灰）腐蚀和低温腐蚀。国内电厂曾因垢下腐蚀，水冷壁氢损坏及向火侧腐蚀，导致大面积换管。曾有一台锅炉由于斜顶棚内的下降管外壁腐蚀爆破造成一死六伤的重大人身事故。国外一些超临界机组曾发生因过热器管内壁氧化皮脱落，被蒸汽带入汽机而引起喷嘴、叶片的固体硬粒侵蚀。

5.1水冷壁管的垢下腐蚀的预防

水冷壁管垢下腐蚀是以紧贴管壁的垢下管壁为阳极，外围表面为阴极所构成的局部电池作用引起的电化学损害，严重时可导致鼓包或腐蚀穿孔。一台1025t/h炉在半年内先后停炉3次处理水冷壁管鼓包、穿孔。主要原因是凝汽器铜管泄漏，给水硬度长期严重超标（标准是2Epb，最大竞达392Epb，超标时间占运行时间25％左右），其次是停炉保养效果不好；基建酸洗质量不好；与给水含铁量超标；分析认为采用Na3PO4炉内处理时大量向炉内加入Na3PO4调节炉水的pH值也不够妥当等。当前防止垢下腐蚀最主要的防范措施是解决凝汽器泄漏后给水硬度超标问题；要加强给水含铁量的检测与控制；对已结垢的水冷壁进行化学清洗。总之，要加强化学监督工作。

对于超临界直流炉由于给水水质纯度较高组必须采用挥发性处理。所以美国通常采用氨－联氨方式，而德国和前苏联推荐采用氨－氧处理和中性水加氧的方式。前苏联试验肯定了中性水加氧的方式。我们推荐采用加氧处理方式。当然，采用何种方式还与汽水系统中管道、阀门所用的材料有关，需综合考虑。

结束语

通过以上的防磨改进。该炉运行正常，爆管停炉事故率降低。特别是对蒸发管的防磨措施．可以降低其磨损速度，延长其使用寿命。虽然循环流化床锅炉只要运行就会磨损．但是只要采取有效的措施．在安装或大修更换部件时，制定防磨措施．提高循环流化床锅炉安全、经济、长期运行是完全可能的．

参考文献：

[1]李良成.烟气露点温度与锅炉低温受热面的腐蚀黑龙江电力2016.23

[2]杨国辉.锅炉低温受热面管的腐蚀及防护管道技术与设备2015.17

[3]刘建伟.锅炉空气预热器低温腐蚀机理及预防措施中小企业管理与科技（下旬刊）2017.19

[4]黄乔松.管式空气预热器受热面防腐与防磨中国高新技术企业2019.26

[5]齐海.关于锅炉尾部受热面低温腐蚀情况分析安庆科技2015.23