某1000MW发电有限公司2号锅炉空气预热器蓄热波浪板失效分析

 某1000MW发电有限公司2号锅炉空气预热器蓄热波浪板失效分析

梁云旺

（广州粤能电力科技开发有限公司，广东 广州 510000）

   摘要：本文对某1000MW发电有限公司2号锅炉空气预热器蓄热元件波浪板样品进行宏观分析、化学成分分析、金相组织分析、表面SEM和EDS分析等试验和分析，根据试验分析结果并结合空预器现场使用情况和现场检查情况判断其失效原因。综合判断该蓄热元件试样的失效方式是以多源性腐蚀疲劳失效为主，空预器运行过程中发生了低温腐蚀，并且出现了空预器介质（烟气和空气）流通失匀现象。

   关键词：空气预热器、低温腐蚀、失效、流通失匀

1 概述

对某电厂2机组的锅炉空气预热器蓄热波浪板送检样品进行表面宏观分析、化学成分分析、金相组织分析、表面扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）分析，根据分析结果和现场检查情况判断其失效原因。该电厂发电机组每台锅炉配备2台空预器，空预器型号为34VNT 2000（300），锅炉燃料为褐煤。空预器换热元件由低碳钢、CORTEN钢材质波浪板构成，其中热段、中温段波浪板厚度为0.5mm，冷端波浪板厚度为0.8mm，空预器工作示意如下图所示。

图1 空预器工作示意图

2 试验分析结果

2.1表面宏观分析

现场检查空预器冷端波浪板腐蚀情况如图2所示，由图可以看出蓄热波浪板表面均已发生严重腐蚀和损坏，外表呈棕色或褐色，部分区域已破碎，局部存在积垢（积灰）。

图2 现场空预器冷端波纹板腐蚀情况

2.2化学成分分析

对送检的第2、3、5仓冷端蓄热波浪板分别取样进行化学成分分析，试验结果如下表所示，冷端蓄热元件材质为低合金钢，主要含有Mn、Cr、Mo、Cu合金元素。

表2  冷端第2/3/5仓蓄热元件样品化学成分分析结果

2.3金相组织分析

对空气预热器第5号仓冷端蓄热波浪板制备金相试样经机械研磨、抛光、化学侵蚀后，于徕卡DMI3000M金相显微镜下进行金相组织分析，试验结果如下图所示，其组织为铁素体+少量珠光体+少量析出碳化物，显微组织显示其为低合金钢正常组织。

图3 冷端第5号仓样品金相组织

2.4表面SEM和EDS分析

对第2、5号仓冷端蓄热波浪板表面取样，采用配有能谱仪的扫描电子显微镜EVO18对样品进行扫描电镜分析。表面形貌和能谱分析结果如下图4至图5所示，结果表明，样品表面均附着腐蚀产物和氧化物，腐蚀产物中含有有S、Cl元素，且腐蚀表面存在较多二次裂纹。

表3 图示所选区域元素含量

表4 图示所选区域元素含量

3 失效分析

3.1 腐蚀分析

结合样品表面的能谱分析结果，试样表面存在S元素，加之断口表面存在疲劳弧线和多处源于试样表面腐蚀的二次裂纹，判断该蓄热元件试样的失效方式是以多源性腐蚀疲劳失效为主。

燃烧过程中燃料中的大部分硫都转变为二氧化硫，但仍有 1~5% 的硫转变为三氧化硫。烟气中三氧化硫的含量取决于许多因素，如燃料中硫的含量、燃烧时的过量空气系数以及是否存在对形成三氧化硫起催化作用的沉积物等。 三氧化硫与烟气中的水蒸汽反应，在换热元件表面形成一层硫酸膜从而腐蚀碳钢换热元件。能在换热元件表面上形成一层连续的硫酸膜的最高温度称为烟气的“酸露点”。当换热元件壁温低于露点温度时，硫酸蒸汽就会凝结在壁面上腐蚀换热元件，并不断粘结飞灰，堵塞通道，降低换热元件换热效率和使用寿命，影响空预器的安全经济运行。当换热元件壁温低于露点温度时，酸液凝结量随壁温的降低而不断增加，换热元件的腐蚀速度也不断加速。通常最大腐蚀率的壁温约比露点温度低 20 ∼45 ℃。

一般情况下，硫酸低温腐蚀主要发生在空气预热器冷端。吹灰疏水不畅等因素可能导致蒸汽带水，促使燃煤燃烧产生的烟气中的SO3与水（或者水蒸汽）结合生成硫酸，附着于蓄热元件表面，从而形成了硫酸低温腐蚀。

一方面，蓄热元件在服役的过程中，始终处于动态的压、弯、扭的工况环境中，承受的是烟气（或者空气、吹灰蒸汽及灰分）流动、冲击所致的不规则循环载荷。另一方面，硫酸腐蚀在蓄热元件表面形成的腐蚀坑成为应力集中源。当蓄热元件受应力作用时，在点蚀坑底部产生滑移台阶，暴露出活性金属表面。腐蚀作用导致逆向加载时表面不能复原（即逆向滑移受阻），由此造成裂纹源，裂纹源在不规则循环应力和腐蚀环境共同作用下逐步扩展。当裂纹长度达到临界裂纹长度时，难以承受外载，裂纹快速扩展，最终失稳断裂。另外，裂纹源较多，最终导致蓄热元件断口处出现多处二次裂纹。空预器吹灰蒸汽的压力越大，蓄热元件越容易出现破损。

3.2 流通失匀分析

现场检查发现冷端沿转子半径方向从中心筒开始数，第1仓蓄热元件基本完好，第9仓波浪板的腐蚀和损坏情况趋于严重，图6、图7为现场检查发现的各仓蓄热元件的损坏和积灰情况。

注：图中分仓编号为沿转子半径方向从中心筒开始数

从上图可知，第1仓蓄热元件完整性较好，但是积灰相对严重，第9仓蓄热元件损坏程度趋于严重，但积灰程度相对较轻。

蓄热元件受到严重污染（如:积灰、腐蚀、结垢等）造成不均匀堵塞后，造成转子换热流通面上多处流道受阻，烟气（空气）“流通失匀”。流通面得不到及时清理，使元件盒的流通失匀加剧。堵塞较轻的部位流量成倍增大，由于较大的烟气流量携带大量飞灰，在相对较高的流速作用下，使该部位受到更强冲刷磨损。

蓄热元件金属表面的磨损与飞灰特性、飞灰粒的动能和飞灰的撞击次数有关。灰粒特性对磨损有很大的影响，在磨损和冲刷中起主要作用的是飞灰中的大颗粒，其次具有足够硬度和锐利棱角的颗粒（相对于球形颗粒），灰粒磨损性能还取决于灰中SiO2的含量；灰粒的动能同速度（烟气流量）的平方成正比；飞灰对于蓄热元件的撞击次数主要与燃烧产生的总灰量有关。

发生“流通失匀”后，蓄热元件流通量大的部位烟气流量（流速）增加，局部磨损量比正常磨损量呈指数级增加。同时在蓄热元件烟气流速慢的区域，烟气的携灰能力变差，造成“烟气流速变慢→烟气携灰能力差→空预器积灰变严重”的恶性循环。同时，在该部位随转子旋转至空气侧时，该部位的空气流量也成倍增加，使冷端元件得到较强冷却。随空预器的连续运转，介质大流量区域长期大幅过冷过热（相对于设计工况），在交变热应力的作用下，元件盒内蓄热片的强度下降，使元件盒内蓄热片金属表面产生裂纹，即“热疲劳”。进而元件盒内紧力消失，蓄热片松散。在外力作用下（如蒸汽吹灰，飞灰颗粒冲刷）造成蓄热片进一步变形、碎裂和剥落。

局部区域吹灰效果差是造成元件进一步堵灰堵塞的重要原因，包括单次吹灰程度、吹灰频率和吹灰程序设置的合理性是影响吹灰效果的重要因素。

损坏后的元件若得不到及时更换，碎裂的大部分碎片下移，进一步造成元件盒松散，下移的碎片集中到热端、中间层与冷端之间的空隙内，使该部位流通能力下降。锅炉运行所需的烟、风的部分流通量又转移至其他部位，引发新的“流通失匀”从而造成蓄热元件损坏范围的扩展。

4 结论

综合以上分析并结合空气预热器的设计原理、运行工况、现场检查情况、来样状况及试验结果可知，该预热器蓄热波浪板在运行过程中发生了低温腐蚀，同时在吹灰器吹扫过程中，腐蚀层发生剥落，继而使得波浪板呈现出网状破损。燃煤中硫含量以及吹灰蒸汽带水是导致冷端蓄热元件产生腐蚀疲劳失效的主要原因；蓄热元件不同区域介质（空气和烟气）流通失匀和介质（空气和烟气）大流量区域偏离设计工况的过热和过冷引起的热疲劳进一步加剧了蓄热元件的失效。

5 建议

5.1 控制燃煤中的硫含量，避免燃煤中硫含量过高和产生大的波动。

5.2 严格执行各项吹灰参数，避免过度吹灰。

5.3 检查空预器吹灰供气管道和疏水管道存水可能性，必要时对管道进行改造，避免空预器吹灰带水。

5.4 定期检查空预器吹灰蒸汽温度和空预器吹灰蒸汽疏水温度测量装置的可靠性和准确性。

5.5 为有效地控制和减缓冷端换热元件的腐蚀，必须避免空预器在“冷端综合温度”（烟气出口温度+空气入口温度） 低于建议的最低值下长时间运行。

5.6 针对检修时发现的蓄热元件破损和腐蚀情况，及时对受损元件进行更换和处理，避免元件破损区域进一步扩大。

5.7 利用检修期间，检查空预器吹灰器喷嘴的偏斜角度，检查蓄热元件积灰和损坏情况，优化波浪板的波型，提高蓄热元件部分区域的吹灰效果，降低局部积灰和流通失匀倾向；

5.8 监视省煤器灰斗输灰情况，减少大颗粒煤渣进入尾部烟道和空预器。

5.9 监视空气预热器实际运行压差情况和烟风系统运行状况，优化空预器吹灰程序。

5.10 根据高水分、高一次风率褐煤的燃烧特性，加强对锅炉燃烧的管理，同时控制燃用煤种灰份总量，减轻飞灰颗粒对空预器蓄热元件的磨损。

参考文献:

【1】张树利,董务明，姚舜，锅炉空气预热器堵灰原因及对策[J]发电设备2014.28(5):359-363.

【2】邬东立·王洁,张国鑫等.660MW SCR 脱硝机组空预器堵塞原因分析及对策[J].浙江电力2014.(3):46-50.

【3】张树利,董务明.加脱销装置的空预器堵灰原因分析及对策[J].热电技术,2014.1211):12-16.

【4】马双忱,郭蒙,宋卉卉,等.SCR工艺中硫酸氢铵形成机制及影响因素[C].发电企业节能减排技术论坛,2013.

【5】黄新元.电站锅炉运行与燃烧调整中国电力出版社2003.3.

【6】候斌.等.电站锅炉对流受热面积灰状态的在线检测中国电力2002年第3期.

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