1、锅炉锅炉“四管四管”爆漏原因探讨爆漏原因探讨国网湖南省电力公司电力科学研究院锅炉技术研究所 杨剑锋2013年09月1.概述概述 锅炉承压部件的爆漏占主要有“四管”爆漏，当然还包括炉内其它一些管段的泄漏和爆破。“四管”爆漏是指锅炉水冷壁管、过热器管、再热器管和省煤器管产生泄漏及爆破。锅炉的“四管”爆漏是火电厂中常见性、多发性故障，是长期困扰火电厂安全生产的一大难题，其引发事故率高，通常需停炉处理，故对发供电和技术经济指标影响很大。从我国近年来大型电站机组设备事故统计数据看，锅炉设备事故中“四管”爆漏的事故所占比例较大，在所发生的非计划停运事故中，有近一半是锅炉“四管”爆漏造成的。锅炉“四管”爆漏
2、对机组可用率的影响，NERC（北美电力可靠性委员会）的统计分析表明，每减少1%的可用率意味着30007000万美元的经济损失。因此，如何更加有效地开展锅炉“四管”爆漏防治工作，提高设备的可用率，进而提高企业经济效益是一个具有现实意义的课题。1.1 省内电站锅炉省内电站锅炉2010-2012四管爆漏四管爆漏次数统计次数统计 厂 名锅炉台数容量2010年2011年2012大唐石门电厂2300MW410华电石门电厂2300MW211耒阳电厂2200MW+2300MW451湘潭电厂2300MW+2600MW420株洲电厂2310MW000金竹山电厂3600MW561益阳电厂2300MW+2600MW5
3、53华能岳阳电厂2335MW+2300MW+2600MW030华电长沙电厂2600MW010创元电厂2300MW332涟源电厂2300MW013黔东电厂2600MW未统计1国电宝庆电厂2600MW未投产0统计锅炉台数323337总爆管次数（次）272812平均每台爆漏次数（次）0.840.850.321.2 2013年省内电站锅炉年省内电站锅炉四管爆漏四管爆漏情况情况 2012年共发生锅炉爆管12次，台均次数为0.32次/台，创历史最好水平，总体上可归结为“人努力，煤质好，天帮忙”。2013年锅炉爆管情况如下：1-6月：0次（考核）6次（实际）7-9月：9次（考核）10次（实际）至9月底，锅炉
4、爆管考核次数为9次，实际已达16次，特别是7月份以来，随着发电量的增加，爆管次数也急剧上升，形式不容乐观！1.3 四管爆漏四管爆漏部位统计部位统计 （单位：次）水冷壁过热器再热器省煤器合计2012年7132122013年7801161.4 四管爆漏四管爆漏原因统计原因统计爆管原因爆管次数（单位：次）2012年2013年异物堵塞，短期超温44设计、制造、安装遗留缺陷33磨损22吹灰器吹损11膨胀受阻、应力不能有效释放13垮焦（或其它物件）02腐蚀10遗留缺陷未彻底处理01合计12161.5 近年来锅炉近年来锅炉四管爆漏四管爆漏深层次原因分析深层次原因分析管理不到位：逢停必检执行不到位；重点部位检
5、查不到位，如易飞灰磨损区域检查、受热面内部异物检查；运行管理不到位，如存在短、长期超温现；消缺管理不到位，如以前发现的缺陷未彻底处理。设计、制造缺陷仍然存在：典型的如某厂#1炉省煤器缺陷、某厂#1炉中隔墙下集箱疏水管管材规格等级偏低。技术难题无法彻底解决：如某厂#3炉水冷壁、包墙过热器膨胀受阻，局部应力得不到释放，拉裂受热面；某厂#1、#2锅炉结焦严重，跨焦砸伤冷灰斗水冷壁；某些厂折焰角扰流吹灰装置技术不成熟。其他原因：如燃烧器钝体安装不牢，脱落砸伤水冷壁管；火检冷却风安装角度不对磨损水冷壁管等，说明电厂在大、小修施工质量管理上存在漏洞。1.6 近两年电科院所做工作近两年电科院所做工作下现场，
6、抓指标。对各个电厂进行专题走访，宣贯锅炉四管防磨防爆要求，通报常见事故，分解全年指标，督促省内各电厂重视锅炉“四管”防磨防爆工作，建立健全制度、完善组织建设。完善组织建设、规范现场检查。2012年修订了湖南省电力行业在役锅炉“四管”防磨防爆技术措施，根据各厂锅炉历年爆管特点和设备状况有针对性的编写了各并网火力发电厂锅炉防磨防爆等工作重点和2012年湖南省并网主力火力发电厂锅炉“四管”防磨防爆工作要求，以宏观指导电厂开展工作；为规范非、异停管理，以技术中心名义，出台下发了关于上报机组事故/异常信息的通知。2013年制定了关于强化火力发电厂锅炉“四管”及承压部件防磨防爆组织管理与现场检查要求的通知
7、并下发至各分公司、电厂，对组织建设、事故通报、现场检查等进行了规范，确保体系运转正常。实行专业承包、单位承包，落实监控职责。制定了湖南省电力技术中心“四管”及承压部件防磨防爆管理分工细则，明确电科院各部门、人员责任。规范流程，提高质量。修编了定期检验原始记录、报告格式及编写、审批制度，提高报告质量。1.6 省内防止四管爆漏执行过程中存在的问题及解决办法省内防止四管爆漏执行过程中存在的问题及解决办法 存在的问题：存在的问题：领导重视不够。文件制度电厂没有落到实处。组织机构没有或不健全。人员流动大。没有及时报告，隐瞒事故，导致同类型事故重复发生。解决办法：解决办法：领导重视，带头包干，要把抓非异停
8、工作当做抓煤耗工作来抓就一定能搞好。落实已有制度。按要求建立、健全组织机构，有专责，最好分公司有专人分管。电科院：监督检查中纳入该内容。2.四管爆漏原因及机理分析四管爆漏原因及机理分析2.1 数据的分析和归类数据的分析和归类 尽管锅炉“四管”爆漏的机理复杂，目前已知的有20余种，但是基于对历史数据的分析，发现绝大部分爆漏问题可以划归在3类型式中。（1）慢性、累积型爆管：包括由蠕变、疲劳、腐蚀和磨损等引起的炉管爆漏。这类问题一般与运行时间相关，随着机组运行累计时间的延长和设备的老化，这类问题呈现上升的趋势。（2）先天缺陷引起的爆管：这往往由于制造、安装或检修等环节的质量控制问题引起，如焊接缺陷、
9、缺陷部位的寿命因缺陷程度的大小变化很大。这类炉管爆漏随时间的推移呈逐渐下降的趋势。（3）快速、随意型爆管：这类爆管往往是由于运行中的短期异常问题引起，比如运行中的汽水回路流量中断、吹灰器异常吹损等。与前面两类不同，这类炉管爆漏问题一般是由短期因素作用引起，它的发生机率和机组的运行时间无关。区分了以上3类爆管的特点，就可以采用不同的处理方案 第1类爆管数量上一般占总爆漏次数的50%以上。对于此类爆管，针对爆漏失效机理可采取相应的预防、控制措施。第2类爆管问题可以通过加强质量管理，抓好从管材采购到制造、安装各环节的检查和检验工作得到控制。第3类爆管的发生虽然呈现一定的随意性，但是通过加强设备技术管
10、理工作也可以降低其发生的机率。爆管类型及特点 通过故障事故的分析，引起锅炉四管爆漏可归纳如下几方面原因：q 超温过热：短期过热；长期超温。q 磨损：管内工质磨损；炉内飞灰、吹灰磨损。q 腐蚀：管内壁腐蚀；烟气侧腐蚀；应力腐蚀。q 疲劳：振动疲劳；热疲劳；腐蚀疲劳。q 质量缺陷：焊接缺陷；材料缺陷。q 异种钢焊接及机械损伤。四管爆漏原因及机理分析四管爆漏原因及机理分析 引起四管爆漏的原因很多，包括设计、制造、安装、检修、运行及煤种等多方面，某一四管爆漏故障往往非单一因素所致，而是多种因素同时存在并交互作用的结果。根据全国大机线锅炉四管爆漏事故的统计，磨损、焊缝、过热、腐蚀、拉裂等是引起锅炉四管爆
11、漏的主要原因。一、超温过热一、超温过热(一)类型1.短期过热：受热面的工作温度短时超过材料的下临界温度时，材料强度明显下降，在内压力作用下发生胀管和爆管现象。2.长期超温：受热面的工作温度处于设计允许温度以上而低于材料的下临界温度，在内压力作用和长时间高温高压条件下产生塑性变形和蠕度（局部胀粗），最后导致爆管。(二)超温过热的主要原因1.热偏差的影响：气粉分配不均匀、炉膛火焰中心偏移，造成炉膛出口的烟气温度偏差较大；受水冷壁吸热影响，使炉膛出口处中间烟气温度高于两侧，造成局部受热面的热负荷过高。2.蒸汽质量流速设计偏低和流量分配不均匀。3.管内严重结垢或被异物（金属碎片、焊渣、泥砂等）阻塞而使
12、蒸汽流量减少或停滞。完全堵塞会造成短时超温破坏，部分阻塞或流通不畅，经一段时间运行会造成长期超温蠕变损坏。4.煤质的影响：实际燃煤发热量低于锅炉设计用煤时，要满足锅炉的设计出力，须增加燃煤量，而制粉细度受到设计出力的限制，粗煤粉颗粒影响炉内的着火和燃烧，使火焰中心上移，炉膛出口烟温升高。5.三次风量大及锅炉漏风的影响：炉底除渣门经常开启，炉底漏风量加大以及三次风量大均造成火焰中心上移，使过热器管壁温度升高。6.高压加热器投入率低，给水温度低于设计值，为维持锅炉的设计出力，势必要加大锅炉的进煤量，这样会引起过热汽温上升，造成过热器管壁超温。7.设计制造方面的原因：设备制造缺陷或材料成份偏析而导致
13、受热面局部超温。8.运行因素：减温器投入不当，造成部分管段过热；升炉时炉火、汽温控制不严，使低温过热器超温；锅炉启、停，锅炉负荷过低、负荷变化过快、甩负荷、旁路投入不及时等，使再热器过热烧损。9.过热器管内表面的氧化垢或其它化学沉积物，使传热效果下降，造成管壁金属过热，性能降低。10由于上游管子损坏而使冷却工质中断，造成下游管子得不到足够的冷却。q 过热是受热面运行温度超过了该金属的许用温度，其显微组织发生了变化，出现珠光体球化、石墨化及热脆性等，大大地降低了金属的许用应力。这时受热面管在内压力作用下产生的应力就有可能大于金属的许用应力。在长期高温高压的条件下产生塑性变形和蠕变，最后导致爆管。
14、二、磨损二、磨损 磨损引起的爆漏占比例也是比较大的。磨损有飞灰磨损和机械磨损，以飞灰磨损为主。飞灰磨损与炉型结构、受热面布置方式、烟气流速、制造安装质量、煤灰特性、烟气含尘浓度等多种因素有关，它主要表现在受热面结构布置或烟气通道被积灰阻塞造成局部流通阻力小，或管夹烧损、变形后出现管排散乱、出列，这些均会形成烟气走廊造成局部烟速过大，还有管排错列布置、设计烟速高或运行中采用过大的过剩空气量而使烟速过高等。(一)类型1.飞灰磨损：烟气中燃烧气体和飞灰构成气固两相流对管壁进行冲刷和切削，这种对管壁造成的磨损危害甚大。2.吹灰器造成的磨损：锅炉运行要求吹灰器（利用高压水或蒸汽）定时将受热面管壁沉积的煤
15、灰、污垢吹扫干净，以改善传热，但若吹灰器安装或运行操作不当等原因，会造成对管壁的磨损损伤。吹灰器吹灰行程不够，吹灰角度不准，吹灰蒸汽温度过高、压力过大，吹灰器与受热面管壁距离太近，吹灰器故障卡涩退不回原位、吹灰器阀门内漏，吹灰器定点吹扫时间过长等是吹灰器附近或下方受热面管爆漏的主要原因。3.振动磨损：屏式过热器管夹经常烧损，导致管排零乱，过热器受热面固定不牢，运行中管圈出位发生振动造成管子间的机械磨损。4.管内汽水冲刷：汽水流速很快，不断对换热器管内壁进行冲刷，在管道拐弯处尤为严重(二)飞灰的磨损机理 飞灰和烟气构成的气固两相流（含SiO2、Fe2O3、Al2O3等）对管壁造成两种磨损：塑性磨
16、损和切削磨损。塑性磨损是固体颗粒长期重复撞击管壁，金属自行脱落形成班点磨坑；切削磨损是气固两相流高速运动中，灰粒切削管壁危害性极大的磨损。管壁的磨损量可按下式计算：g/m2(3-1)式中T管壁表面单位面积造成的磨损量c飞灰磨损性系数飞灰撞击管壁的机率烟气中的飞灰浓度 g/m2w飞灰速度，以烟气流速替代锅炉的运行小时数1.飞灰速度（w）的影响 管壁的磨损正比于飞灰冲击管壁时的动能mw2，m为飞灰质量（等于飞灰浓度与体积的乘积）。当飞灰速度（或烟气流速）达到3040m/s时磨损最严重，在11045104h期间有可能使管子磨穿。烟气中的飞灰颗粒冷却到700以下，其硬度增大，高速较大硬度的飞灰对受热面
17、的磨削，逐渐减薄管壁以致爆管。局部烟气流速过高或烟气不均匀流动均会加剧受热面的磨损损伤。2wcT2.飞灰浓度（）的影响（3-2）式中Ay燃煤中的灰分fh飞灰占总含灰量的份额Vy燃料燃烧后的容积（m3/kg）(主要决定于燃料中的碳氢含量)由上可知，燃用比设计煤种灰份高的低质煤是飞灰浓度增加的根本原因3.灰磨损性系数（C）的影响 C与飞灰物理性能有关，在同等烟速、飞灰浓度下，省煤器的磨损大于过热器的磨损。因为省煤器处的烟温低于过热器烟温，加之漏风加速飞灰冷却变硬，若再出现不完全燃烧，飞灰中固定碳增加，这样既加大了飞灰浓度，又增加了灰粒硬度，加剧受热面磨损。4.飞灰撞击管壁的机率（）的影响 飞灰惯性
18、mw2大，撞击机率高；烟气粘度小，撞击机率高。yfhyVA/10(三)磨损故障的相关因素1.煤质的影响 若燃用煤质灰分高于设计值，因制粉设备出力的限制，煤粉直径大的粗颗粒将加剧对受热面管壁的冲刷磨损。2.结构设计因素 烟气直接冲刷管子弯头和局部烟速过高，会造成炉后包复管及弯头的严重磨损。3.烟气走廊的影响 因设计、安装、检修质量诸原因，低温再热器与烟道的后墙包复和两侧包复管之间的间隙较大，形成了“烟气走廊”，加速了包复过热器的磨损。4.对流过热器积灰渣的影响 对流过热器积灰渣阻塞烟气通道，使未堵部份烟气流速急剧增加，造成该区域受热面管壁的严重磨损。5.管材选用不当的影响 某电厂引进法国330M
19、W配套锅炉，中温过热器布置在折焰角附近的高烟速、高热负荷区，管道选材只注意热强性，而忽略了耐磨性的要求，外圈管段选用的奥氏体钢不耐磨，中温再热器用于管排定距的水冷却隔离管选用了非耐磨钢，造成多次因磨损而爆管。6.炉膛设计高度偏低，导致炉膛出口处（大屏后）烟气速度大大增加，而飞灰磨损速率与烟速的3.2次方成正比关系，可见因烟速飞灰磨损将增加数倍。7.炉内空气动力场分布不尽合理，使实际燃烧时假想切圆偏大，造成受热面磨损加剧。8.管排上的管夹因过热变形或开焊造成管排振动及膨胀滑动，使管壁与管夹、梳形卡子、定位板之间产生磨损导致再热器管爆漏。9.管束结构的影响q 烟气对管道的横向冲刷比纵向冲刷造成的磨
20、损严重；q 横向冲刷时，错列管束比顺列管束的磨损严重；q 飞灰对管壁表面冲刷时的冲角为3055时磨损最严重。在过去的200MW机组上，因锅炉的再热器汽温达不到要求，常采用烟气挡板调节汽温，将挡板开足增加低再侧的烟气量，使再热蒸汽温度提高，但烟气流速增加加剧低再和低再侧省煤器管子的磨损（磨损量与烟气流速的3.2次方成正比）。机械磨损常有：煤粉喷嘴及三次风嘴附近的水冷壁管受带粉气流冲刷（如燃烧器喷嘴烧坏变形）；管排上的管夹因过热变形或焊接不牢固而开焊，造成管子振动并与管夹相磨。吹损主要是由于吹灰器运行不正常引起的，湿蒸汽带水或飞灰带入吹灰介质中，也会吹损炉管。三、腐蚀三、腐蚀 锅炉受热面外部受燃烧
21、气体包围，由于燃料中含硫，燃烧中会氧化成SO2、SO3，最后产生H2SO4对受热面产生腐蚀，受热面上还有铁、钒、Si、Al、Na等氧化物的积灰存在，加之管壁附近的还原气氛和腐蚀性气体均对受热面管外壁产生腐蚀。管内水中的溶解氧和游离NaOH均对管内壁带来腐蚀。腐蚀故障在四管爆漏事故中在200MW、300MW及以上的机组中占有相当比例。(一)类型1.管内壁腐蚀：也称水汽侧腐蚀，包括溶解氧腐蚀、沉积物垢下腐蚀、碱腐蚀、氢损伤、铜氨化合物腐蚀、氧化皮等。2.烟气侧腐蚀：可分为高温腐蚀、低温腐蚀3.应力腐蚀：也称冲蚀，它是管道受到腐蚀和拉（压）应力的综合效应(二)腐蚀故障机理 1.管内壁腐蚀(1)溶解氧
22、腐蚀 由于Fe与O2、CO2之间存在电位差，形成无数个微小的腐蚀电池，Fe是电池中的阳极，溶解氧起阴极去极化作用，Fe比O2等的电位低而遭到腐蚀。当pH值小于4或在强碱环境中，腐蚀加重，pH值介于413之间，金属表面形成致密的保护膜（氢氧化物），腐蚀速度减慢。随着给水速度提高、锅炉热负荷增加、溶解氧腐蚀也随之加剧。腐蚀速度与溶解氧的浓度成正比。(2)沉积物垢下腐蚀 由于给水质量不良或结构缺陷防碍汽水流通，造成管道内壁结垢。垢下腐蚀介质浓度高，又处于停滞状态，会使管内壁发生严重的腐蚀，这种腐蚀与炉水的局部浓缩有关。如果补给水或因凝汽器泄漏（河水）使炉水含碳酸盐，其沉积物下局部浓缩的炉水（沉积着高
23、浓度的OH-）pH值上升到13以上、发生碱对金属的腐蚀。如果凝汽器泄漏的是海水或含Cl-的天然水，水中的MgCl2、CaCl2将进入锅炉、产生强酸HCl，这样沉积物下浓缩的炉水（很高浓度的H+）pH值快速下降，而发生对金属的酸性腐蚀。(3)碱腐蚀 游离碱会在多孔性沉积物和管内表面浓缩，浓缩的强碱会溶解金属保护膜而形成铁酸根与次铁酸根离子的混合物 当管壁表面局部碱浓度超过40%时，会释放出氢气，从而形成金属表面深而广的腐蚀，也称延性腐蚀。pH值在值在8.510.3范围内，一般不会发生碱腐蚀范围内，一般不会发生碱腐蚀(4)氢损伤 一般情况下给水与管壁（Fe）发生反应生成H2和Fe3O4 保护膜Fe
24、3O4阻隔H2进入管壁金属而被炉水带走，当给水品质不佳或管内结垢会生成Fe2O3和FeO。Fe2O3、FeO比较疏松、附着性很差，有利于H2向管壁金属的扩散，高温下晶界强度低，H2与钢中的碳和FeC反应生成CH4。2322H3OFeOH32Fe22HFeOOHFe42CHFeOH2FeC42CHH2CO2HFeO2FeO4OHOFe222243222HFeOOHFe 管壁金属脱碳，CH4积聚在晶界上的浓度不断升高，形成局部高压以致应力集中，晶界断裂，产生微裂纹并发展成网络，导致金属强度严重降低，使金属变脆而断裂。(5)铜氨化合物腐蚀 在炉水处理中使用脱氧剂和中和胺等均可能产生游离氨。在pH值大
25、于8.3且含溶解氧的情况下，氨会侵蚀以铜合金为材质的冷凝管。一旦铜离子进入锅炉而沉积在管壁上，便会产生电化学腐蚀而损伤炉管，其化学反应式为：(6)超（超）临界机组“氧化皮”在无溶解氧的水中，铁和水反应生成金属氧化物，在金属表面形成一层氧化膜。管 壁温度 在 570 以下时生成的氧化膜是 由 Fe2O3、Fe3O 4组成，Fe2O3和 Fe2O3 都 比 较致密(尤其是Fe3O4)，因而可以保护钢 材被进一步氧化。当管壁温度超过570 时，氧化膜由Fe 2O3、Fe3O 4、FeO 三层组成(FeO 在最内 层)，其厚度比约为 1：10：100，即氧化皮主要是由 FeO组成，因 FeO 不 致密
26、，因此破坏了整个氧化膜的稳定性，这样 氧化过程得以不断继续。32-243NH4Fe(OH)CuOH2Fe)Cu(NH（1）高温硫腐蚀 锅炉水冷壁管向火侧的高温腐蚀，也称为“还原气氛腐蚀”，是在锅炉燃用煤种含硫量偏高、炉内局部缺氧而存在一氧化碳的还原气氛、并有未完全燃烧的煤粉冲刷水冷壁表面的条件下形成的。高温硫腐蚀主要有2 种类型：硫酸盐型；硫化物型。q 硫酸盐型高温腐蚀硫酸盐型高温腐蚀 煤粉在炉内燃烧时，矿物质中的钠挥发、升华，非挥发性硅酸盐中的钾通过置换反应释放出来，钠和钾与烟气中的SO3反应生成硫酸钠和硫酸钾，其露点温度在877左右。当汽态的硫酸钠与硫酸钾扩散到“较冷的水冷壁管表面”时，便
27、凝结在管壁氧化膜上。由于汽相扩散速率较硅酸盐灰粒惯性撞击沉积的速率快，所以炉管表面上首先沉积的是硫酸钠（Na2SO4）和硫酸钾（K2SO4），其沉积速度与挥发钠的数量及烟气温度有关，特别是与烟气及壁面的温度梯度有关。水冷壁管高温腐蚀的机理水冷壁管高温腐蚀的机理2.烟气侧腐蚀烟气侧腐蚀 烟气侧腐蚀可以分为 高温腐蚀和低温腐蚀硫酸盐腐蚀过程主要有硫酸盐腐蚀过程主要有2 种途径种途径 一种是在附着层中碱性硫酸盐参与作用的气体腐蚀，即受热面是熔融的硫酸盐吸收SO3，并在Fe2O3与AL2O3的作用下,生成复合硫酸盐：3Na2SO4+Fe2O3+3SO3 2Na3Fe(SO4)33K2SO4+Fe2O3
28、+3SO3 2K3Fe(SO4)3K2SO4+Al2O3+3SO3 2KAl(SO4)3 在复合硫酸盐K3Fe(SO4)3、Na3Fe(SO4)3 的混合物中，钾与钠的摩尔比值在1 1 4 1 之间时，熔点会降低至552。当硫酸盐沉积厚度增加，炉管表面温度升高至熔点温度时，Fe2O3氧化膜被复合硫酸盐溶解破坏，导致管壁金属继续腐蚀。另一种途径是碱金属的硫酸盐腐蚀：3Na2S2O7+Fe2O3 2Na3Fe(SO4)33K2S2O7+Fe2O3 2K3Fe(SO4)3 在附着层中存在碱性硫酸盐时，由于它的熔点很低，在通常壁温下即可在附着层中呈熔融状态，形成反应速度更快的熔盐型腐蚀。实验研究表明：
29、熔融硫酸盐积灰层对金属壁面的腐蚀速度比气相状态要快得多。q 硫化物型高温腐蚀硫化物型高温腐蚀 运行分析发现，当管壁附近呈还原性气氛并存在含量很高的H2S气体时，则会产生严重的硫化物型锅炉水冷壁腐蚀，而且腐蚀速度与烟气中H2S的浓度几乎成正比。由黄铁矿硫造成的腐蚀 黄铁矿粉末随高温烟气流动到管壁上，在还原性气氛下受热分解释放出硫化亚铁和自由原子硫：FeS2 FeS+S 当管壁附近有一定浓度的H2S和SO2 时，也可能生成自由原子硫：2H2S+SO2 2H2O +3S 在还原性气氛中，自由原子硫由于缺氧可单独存在，当管壁温度达到350 时会发生硫化反应：Fe+S FeS H2S还可以透过疏松的Fe
30、2O3，与较致密的磁性氧化铁（Fe3O4 即Fe2O3FeO）中复合的FeO 反应生成FeS：FeO+H2S FeS+H2O FeS缓慢氧化生成黑色磁性氧化铁，使管壁受到腐蚀：3FeS+5O2 Fe3O4+3SO2 硫化物型腐蚀所生成的FeS，熔点为1195，在温度较低的腐蚀前沿可稳定存在。但当外层温度较高时，FeS则与介质中的氧反应，转化为Fe3O4，从而使腐蚀进一步扩展。硫化氢气体腐蚀 H2S除了能促进硫化物型腐蚀外，还会对管壁直接产生腐蚀作用，是水冷壁管腐蚀的另一主要因素，其腐蚀反应为：2H2S+Fe FeS +H22H2S+FeO FeS +H2O 生成的硫化亚铁又进一步氧化形成氧化亚
31、铁。FeS与FeO的混合物是多孔性的，不起保护作用，可使腐蚀继续进行。另外，贴管壁气氛中的CO也是发生高温腐蚀的必要条件。烟气中的H2S 浓度与CO浓度的关系如下图所示：高温腐蚀的判断依据高温腐蚀的判断依据 发生高温腐蚀的最重要的内在条件是燃煤中存在S、K、Na等物质。我国燃煤含S量高，含K、Na很少，故存在于烟气中的腐蚀性气体SO2、SO3与H2S含量高，从而致使高温硫腐蚀产生。由炉内高温气流的剧烈扰动所引发的水冷壁的高管壁温度、煤粉火焰贴墙、以及水冷壁面附近的高还原气氛则构成了外部条件。因此，要确定大型锅炉水冷壁是否发生了高温腐蚀，可以通过停炉检修时的水冷壁壁厚普查和运行时的壁面气氛试验测
32、定，其依据为：燃煤中的 S1.01.5%；水冷壁附近 O2.0%，CO0.5%，H2O 0.01%；腐蚀区域的水冷壁管壁温度 t 350（2）氯化物型高温腐蚀 煤中存在一定量的NaCl，其熔点（801）和蒸发点远低于火焰温度，进入炉膛以后即迅速汽化，以气态的形式存在，在炉膛内可能发生如下一些反应：NaCl+H2O NaOH+HCl2NaCl+SO2+1/2O2+H2O Na2SO4+2HCl2NaCl+SiO2+H2O Na2SiO3+2HCl 生成的HCl气体使管壁的氧化膜受到严重的破坏，形成汽化点很低的FeCl2，FeCl2 马上完全挥发，从而使管壁金属直接受到HCl的腐蚀，同时由于氧化膜
33、受到破坏，使H2S也能达金属表面，加速管壁金属的腐蚀速度。HCl气体对管壁可能发生的腐蚀反应如下：Fe+2HCl FeCl2+H2FeO+2HCl FeCl2+H2OFe2O3+2HCl+CO FeO+FeCl2+H2O+CO2Fe3O4+2HCl+CO FeO+FeCl2+H2O+CO2 上述反应在400600范围内最为活跃。当煤质中氯的含量较高时（大于0.35%）才可能发生比较严重的氯化物型高温腐蚀,一般情况下这种腐蚀发生的可能性不是很大。影响燃煤锅炉水冷壁高温腐蚀的因素影响燃煤锅炉水冷壁高温腐蚀的因素q 煤中含硫量高煤中含硫量高 煤中的硫是造成水冷壁高温腐蚀的重要原因。煤中的硫可分为无机
34、硫和有机硫。我国煤中的硫，约有6070%为无机硫，3040%为有机硫。在无机硫中,绝大多数为黄铁矿硫，硫酸盐硫只占较少比例。而黄铁矿对结渣和腐蚀影响极大，故有必要测定电厂燃煤的全硫及各种形态硫。q 管壁温度与热负荷较高管壁温度与热负荷较高 较高的管壁温度为高温腐蚀提供了条件，因在H2S浓度不变时，若管壁温度低于300，则水冷壁不腐蚀或腐蚀很慢；若壁温在300500范围内，则腐蚀速度与壁温呈指数关系，即壁温每升高50，腐蚀速度增加一倍。因此，高参数锅炉容易出现水冷壁的高温腐蚀。q 煤粉细度煤粉细度 太粗的煤粉不易燃尽，火焰拖长，从而使水冷壁表面附近集中了大量煤粉颗粒，冲刷并磨损水冷壁，破坏了水冷
35、壁管的氧化保护膜，使管子的腐蚀减薄恶化；另外，煤粉在缺氧的条件下燃烧，形成还原性气氛，也会产生腐蚀。煤粉细度与炉内贴壁气氛的关系q 炉内燃烧的风粉分离炉内燃烧的风粉分离 炉内燃烧的风粉分离是四角切圆燃烧锅炉普遍存在的问题，这是导致水冷壁高温腐蚀的空气动力因素。目前在锅炉机组的实际运行操作中，为了保证稳定燃烧，往往采用较低的一次风率和风速（贫煤、无烟煤：2025m/s），而二次风速一般为4045m/s，致使一、二次风的射流刚性相差较大。一、二次风射流喷出燃烧器后，由于炉内旋转气流的横向推力的作用及射流两侧补气能力的不同，即偏离了喷口的几何轴线、向背火侧偏转，同时因射流刚性差异而导致一、二次风分离
36、。部分煤粉在射流下游水冷壁附近缺氧燃烧，形成局部还原性气氛，从而导致高温腐蚀。q 炉内切圆直径偏大炉内切圆直径偏大 运行实践表明，由于四角切圆燃烧的锅炉炉内气流旋转的切圆太大，有的锅炉的最大风速处距水冷壁只有12m，且由于热态时气流膨胀，实际燃烧的直径还会进一步增大，严重时会引起炉内火焰的冲墙贴壁，这就使水冷壁附近形成强烈燃烧区，而炉膛中心却相对成为弱燃烧区，一方面造成水冷壁温升高且附近缺氧而生成大量的还原性气体，另一方面贴壁风速高加强了煤粉颗粒对水冷壁管表面的冲刷磨损而使新的壁面暴露出来，从而加剧了高温腐蚀过程。q 配风状况差配风状况差 如果在运行中操作不当，加上风、粉配比不合理，则会导致炉
37、内配风状况很差，炉内氧量及温度的波动过于剧烈，氧化气氛与还原气氛交替在水冷壁附近出现，一、二次风混合不完全，煤粉着火和燃尽程度差，且形成海绵状的氧化层更有利于腐蚀介质发生反应。q 水质不佳与水流量不均水质不佳与水流量不均 水质不佳与水流量不均匀将导致部分水冷壁管内结垢，管壁变厚，热阻增加，管子的热流密度不均匀，传热效果不良，促使管壁超温，为高温腐蚀提供了条件。q 参与变负荷调峰参与变负荷调峰 当前，为了满足经济与社会发展的要求，电网的峰谷差增大，要求大型锅炉参与变负荷调峰。在调峰过程中，由于频繁启停和变负荷运行，锅炉水冷壁热胀冷缩，易使壁面的氧化膜脱落，为高温腐蚀提供了有利条件。另外，如果负荷
38、变化太快而影响正常的水循环，导致水冷壁局部温度升高，也会加速高温腐蚀。减轻和防止水冷壁高温腐蚀的措施减轻和防止水冷壁高温腐蚀的措施q 合理配风与强化炉内的湍流混合合理配风与强化炉内的湍流混合 该项措施的目的是避免炉内出现局部还原性气氛，以减少H2S和硫化物型腐蚀。可采用以下方法：适当缩小切圆直径，以使强燃烧区向炉膛中心转移；适当调整燃烧工况以使火焰均匀地充满炉膛，避免火焰长期固定地偏向一边。合理分配各燃烧器负荷，以控制燃烧器区域的壁面热流密度和单只火嘴的热功率，降低炉膛内局部火焰的最高温度。可适当开大直流式燃烧器的燃料风挡板，使一次风粉被高速的周界风包围起来，增加其刚性且避免大的偏转。合理调整
39、一次风风速。适当增加直流燃烧器的一次风速有利于防止气流偏转。而旋流燃烧器的一次风率直接影响到煤粉气流着火的快慢，特别是对燃用低挥发分的煤种，为加快着火，应限制一次风量，使煤粉着火的稳定性较好；如果受到一次风率的限制难以降低一次风速，则可改造一次风口，减小其截面积来降低一次风速。检查与调整各风量挡板的调节位置，以避免配风工况紊乱、燃烧过程难以控制以至于风粉气流刷墙等情况。q 均匀供粉均匀供粉 在运行中，若不能保证向各燃烧器均匀送粉，则各燃烧器煤粉空气配比就不可能保持均匀，易导致炉内局部缺氧、着火困难和燃烧不稳定。因此，对于煤粉管道，一方面应尽量减少它的弯头及长度，另一方面可在管道内装设十字形的整
40、流装置来尽量消除气流旋转、加装导流板来减轻因弯头而引起的煤粉惯性分离；对于中储式系统，应保持粉仓粉位高于最低粉位，防止出现煤粉流量及炉温、氧量的大幅波动；对于直吹式系统，应注意控制一次风压不可太低；对于个别给粉机，应避免周期性地启停。q 适当的煤粉细度适当的煤粉细度 煤粉较粗将会导致火焰冲墙、壁面附近燃烧强度高、煤粉难于燃尽等，从而引起高温腐蚀与磨损。试验表明，当煤粉细度较粗时，水冷壁管外的高温腐蚀较严重，尤其是燃烧器供粉不均或供风工况受到破坏时更是如此。因此要根据具体情况，控制好适当的煤粉细度，以避免高温腐蚀。q 监控水质监控水质 因结垢与水质有直接的关系，该措施可防止因水冷壁管内结垢引起的
41、热阻增大、受热面热负荷局部升高、管壁温度升高从而导致的高温腐蚀。q 一次风反切一次风反切 该措施既可防止高温腐蚀，又可提高锅炉的稳燃能力，预防结焦。其原理为：在切圆燃烧的锅炉上，将一次风喷口偏转一定角度，使一次风在炉膛中心区形成一个与原假想切圆方向相反的、直径较小的假想切圆。一次风射流的初始方向就与主气流旋转的方向相反，并受到上游高温气流的阻碍与扰动，其速度衰减很快，一方面使煤粉在高温烟气中的停留时间延长，有助于其预热、着火和稳燃；另一方面一次风射流相对于二次风气流偏离水冷壁面较远，从而使大量煤粉颗粒集中于炉膛中心附近，防止尚未燃烧或燃尽的可燃物冲刷水冷壁管，减少水冷壁附近的还原性气体，以减轻
42、和防止高温腐蚀的发生。q 采用侧边风采用侧边风 侧边风技术对炉内燃烧过程影响很小，它是在高温腐蚀区域的上游水冷壁或在高温腐蚀的水冷壁上安装喷口，并将一定数量的二次风由此送入炉内，其目的是使壁面高温腐蚀区的还原性气体减少、含氧量增加。根据结构与布置方式，侧边风可分为贴壁型贴壁型和射流型射流型两种 贴壁型侧边风是依据腐蚀面积的大小来确定进风孔数，并将孔开在蚀区的水冷壁管的鳍片上。经小孔进入炉膛的二次风因受旋转气流的推力作用而偏转，在壁面附近形成一层空气保护膜，阻挡煤粉气流冲刷水冷壁，改善壁面的气氛，抑制水冷壁管的腐蚀速度。射流型是在高温腐蚀区上游位置安装侧边风喷口，喷口的大小、入射角度和射流刚性对
43、燃烧及高温腐蚀均有影响。当射流与上游高温烟气相遇时，氧化烟气中的还原性气体并使煤粉颗粒迅速燃烧。使水冷壁附近的气氛呈弱氧化性或中性状态，防止引发高温腐蚀。q 采用渗铝管采用渗铝管 采用渗铝管作为水冷壁管也可以防腐。钢材经表面渗铝后，其正常的渗层结构应由三部分组成，外层是铝原子浓度较高的氧化铝壳，中间为铝铁合金区，内层是基本金属，从而使钢材具有复合材料的性能，可以大大提高其抗高温氧化、抗腐蚀和抗飞灰磨损的能力。q 喷涂防磨防腐合金喷涂防磨防腐合金 采用电弧喷涂与等离子喷涂工艺，在水冷壁可能发生腐蚀的区域喷涂防磨防腐合金，可有效地保护水冷壁，使其不再发生高温腐蚀。该法工艺简单，涂层很薄，对水冷壁几
44、乎没有传热影响，但价格太高。目前，采用等离子体喷涂水冷壁，有效使用周期可达五年，能满足电厂正常检修的需要。国内外许多电厂都采用了这种方法，并取得了很好的防止高温腐蚀的效果。前后墙对冲燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀前后墙对冲燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀加贴壁风后的温度场加贴壁风后的温度场未加贴壁风的温度场未加贴壁风的温度场水冷壁硫化物型高温腐蚀水冷壁硫化物型高温腐蚀 用金相显微镜和场发射扫描电镜对腐蚀产物进行了系统研究，腐蚀产物横截面呈明显的分层结构：外层疏松、多孔，呈灰黑色，为煤灰颗粒。中间层为灰沉积层，分布大量黑点，为煤灰颗粒。中间层富集的颗粒主要是灰颗粒和未完全反应的煤颗粒。内层致密，呈白亮色，为腐蚀反
45、应层。腐蚀产物主要为磁黄铁矿Fex-1Sx和铁硫化物FeS，少量的钙硫化物CaS和磁铁矿Fe3O4、赤铁矿Fe2O3和钙硫酸盐CaSO4。低温腐蚀机理低温腐蚀机理 这是烟气中的硫酸蒸汽在空气预热器、省煤器管壁上骤然冷凝时发生的腐蚀。一定压力下，烟气中硫酸蒸汽的凝结温度称“酸露点”，酸露点高于水露点，即烟气在逐渐冷却过程中，硫酸蒸汽比水蒸汽先液化（凝结在管壁上），易于附着在低于酸露点的金属管壁上，由于液态硫酸的蒸发温度高于液态水的蒸发温度，这样促进了硫酸溶液的浓缩，加剧了受热面的酸腐蚀。这类腐蚀温度较低，故称为低温腐蚀。3.应力腐蚀应力腐蚀 碳钢在氢氧化钠的水溶液中或受热面局部区域出现游离浓碱，
46、同时又受到拉（压）应力的作用就会产生应力腐蚀，应力腐蚀使金属产生裂纹，造成脆性断裂。奥氏体钢在含氯离子的介质和高温的腐蚀环境由于拉（压）应力作用亦会产生应力腐蚀裂纹。启动和停炉时可能有含氯和氧的水团进入管道，奥氏体钢在湿空气中，也有可能产生应力腐蚀断裂。四四.疲劳疲劳疲劳是周期性形变或交变应力作用引起的损伤故障 (一)类型1.振动疲劳：因烟气冲刷、卡门涡流引起管排振动、炉膛振动造成的疲劳损伤。2.热疲劳：因低周（锅炉启停引起的交变热应力）、中周（汽膜的反复出现、消失引起的热应力）和高周（振动引起的热应力）交变作用而发生的疲劳损伤。3.腐蚀疲劳：在充满S、Na、K、Cl等致腐介质中引起的疲劳损伤
47、。(二)疲劳损伤原因及机理分析 1.振动疲劳 “卡门涡流”：当气流横向流过管束，在管束的气体尾流呈现一种交替脱落的顺时针和逆时针方向旋转的涡流称为“卡门涡流”。(1)管束振动 烟气流过管束时，会形成卡门涡流，使管束产生振动，当卡门涡流的频率与管束的固有频率接近，会出现共振发出强烈噪音，产生疲劳损伤。卡门涡流激振频率的计算式为：（3-3）式中 w烟气流速(m/s)；d管束直径；St斯特罗哈数（Re2105时，St=0.20，Re16.5106时，St=0.27）一般易发生共振的频率为40100Hz。某电厂300MW机组锅炉由于后水冷壁延伸悬吊光管管布置有缺陷造成其固有频率与烟气涡流激振频率相接近
48、发生共振而爆管损坏。dwSft(2)炉膛振动 燃烧不稳定时，火焰着火前沿波动较大，引起燃烧室内压力波动。当燃烧压力波动的频率与炉墙钢架或炉膛内某区域的管排的固有频率相接近时，会发出炉鸣或发生共振。燃烧压力脉动频率范围某实测数据为8.759.45Hz。燃烧器旋转气流激起的切向波频率与炉膛内横向烟气的自振频率相接近时，会激起共振。炉膛振动严重时会造成炉墙开裂，钢架变形，管排拉裂等振动疲劳事故。2.热疲劳 是炉管遭受锅炉启停，间断性蒸汽停滞或急冷引起水侧金属周期性冷却、汽膜反复出现消失等引起交变热应力作用而产生的疲劳损伤。引起热疲劳的原因有：q 使用水或蒸汽吹灰时，炉管金属壁温急剧下降，这种间断性的
49、胀缩造成管壁的热疲劳；q 基本负荷机组参予调峰运行，频繁启停和变负荷运行会产生低周热疲劳；q 省煤器支撑板与鳍片管焊在一起，由于膨胀不一致，运行中管束受到支撑板的胀缩拉压作用产生热疲劳（纵向裂纹）损伤。锅炉运行时，水冷壁管向火侧壁温高，向火侧与背火侧管壁温差大且不能自由膨胀，在向火侧管壁产生很大的轴向压应力，出现较大的塑性变形。熄火停炉后水冷壁向火侧壁温低于平均温度，残余塑性变形使向火侧产生轴向拉应力，可见向火侧管壁存在较大的交变应力，在循环次数较多时，发生热疲劳损伤。q 由于锅炉设计、结构、制造及安装上的不合理，国产300MW机组锅炉的水冷壁管发生疲劳拉裂最为突出。因设计的水冷壁管内径小、管
50、屏刚性差、管子热敏感性强，且炉内热负荷偏差大，刚性梁结构不合理，使水冷壁膨胀受阻，导致屏间、管间的鳍片拉裂管子。在启、停过程中或调峰时，又因升、降负荷速率过快，受热面间的膨胀更是不畅，引起更多的拉裂或留下隐患，形成了恶性循环。q 侧包覆过热器与侧墙水冷壁鳍片焊缝处的拉裂爆漏，在300MW机组锅炉和600MW机组的锅炉上时有发生。由于过热器和水冷壁的介质温度不同，两者材质的膨胀系数和膨胀量存在差异，使水冷壁和侧包覆过热器之间的鳍片产生较大的内应力，容易在鳍片焊缝处产生拉裂；联箱短管角焊缝因受热面管屏膨胀不畅，且短管与联箱的连接形式较薄弱，容易造成角焊缝开裂。3.腐蚀疲劳 炉管内的介质由于所含氧的
