锅炉受热面的磨损与腐蚀

锅炉受热面的磨损与腐蚀
锅炉受热面的磨损与腐蚀一、锅炉受热面的飞灰磨损
燃煤锅炉受热面的飞灰磨损，不但要造成受热面的频繁更换。

使发电成本增加，而且还将造成受热面的泄漏或爆管事故，危害很大。

受热面的飞灰磨损一般都带有局部的性质，在烟速高的烟气走廊区和灰粉浓度大的区域，通常磨损较严重，从被磨损管子的周界来看，磨损程度也是不均匀的。

为了找出减轻磨损的措施，有必要先对飞灰磨损的机理及规律进行讨论。

l、飞灰磨损的机理
在锅炉烟道中烟气冲刷受热面时，往往存在一定数量一定动能的飞灰粒子冲击管壁的现象，每次冲击都可能从管壁上削去极其微小数量的金属屑。

日积月累，由于飞灰的不断冲击，管壁将被越削越薄，这就是磨损。

飞灰在冲击管壁时，一般有垂直冲击和斜向冲击两种情况。

垂直冲击造成的磨损称为冲击磨损，冲击磨损作用的结果是使正对气流方向的壁面上出现明显的麻点。

斜向冲击时的冲击力可分为法向分力和切向分力。

法向分力引起冲击磨损，切向分力则引起切削磨损。

由于受热面的各根管子在烟道中所处的位置各不相同，因而各管在沿管周各点所受的冲击力和切向力的作用也不相同，导致飞灰对各管磨损程度的差异。

2、影响飞灰磨损的因素
影响飞灰磨损的因素很多，它们之间的关系可用下式表示：式中:T--管壁表面单位面积磨损量，g／m2；
C--考虑飞灰磨损性的系数，与飞灰性质及管柬结构特性有关；
η一飞灰撞击管壁的机会率，与灰粒所受的惯性力及气流阻力有关；u--烟气中的飞灰浓度，g／m2
ω－飞灰速度，一般可认为等于烟气的流速，m／s；
τ－时间，h。

由(3一1)式可知，影响飞灰磨损的主要因素有：
(1)飞灰速度
管壁的磨损量与烟气流速的三次方成正比，因此锅炉运行中对烟气流速的控制可以有效地减轻飞灰对受热面的磨损。

但是烟气流速降低，会造成烟气侧对流放热系数的降低，并增加了积灰与堵灰的可能性，因而应全面考虑，以确定最经济、最安全的烟气流速。

在某些情况下，烟道中会存在没有或只有很少受热面阻隔的狭窄烟气通道，或由于积灰、堵灰等原因形成狭窄通遭，称为烟气走廊在这些区域，烟气流速特别高，有时比平均流速大3—4倍，因而将使磨损量较平均情况增加达数十倍。

(2)飞灰浓度
飞灰浓度越大，灰粒对管壁的冲击次数越多，磨损也就越严重。

锅炉转弯烟道外侧的飞灰浓度一般较其它地方大，因而该处的管子磨损情况通常较严重。

此外，对于燃用高灰分煤种的锅炉，受热面的磨损情
况也要更严重些。

(3)灰粒特性
灰粒越粗、越硬，则磨损越严重。

具有锐利棱角的灰粒比球形灰粒造成的磨损要严重。

省煤器处的烟温较低，灰粒较硬，因而它的磨损情况一般要大于过热器或再热器等受热面。

燃烧工况恶化时，飞灰中的含碳量增加，由于焦碳的硬度大，因而也将促使磨损量加大。

(4)管束结构特性
烟气纵向冲刷管束时，由于灰粒冲击管壁的可能性大大减少，因而磨损情况比横向冲刷时要轻得多，当烟气横向冲刷时，错列管束的磨损大于顺列管束。

一般来说，错列管束中的第二、第三排管及顺列管束第五排后的受热面磨损较严重。

(5)飞灰撞击率
飞灰撞击率是指飞灰撞击管壁的机会，飞灰撞击率越大则磨损越严重。

3、减轻飞灰磨损的措施
根据以上分析，减轻飞灰磨损，一方面应从受热面布置上加以改进，尽量降低狭窄通道区域的烟气流速，在管子易磨损处加装防磨装置等；另一方面还应从运行调整着手，控制合理的过剩空气系数、减少锅炉各处的漏风以降低烟气流速，重视燃烧调整工作，避免不完全燃烧的发生。

二、锅炉受热面的低温腐蚀
低温腐蚀主要发生在空气预热器的冷端。

回转式空气预热器受热面发
生低温腐蚀时，不仅使传热元件的金属被锈蚀掉造成漏风增大，而且还因其表面粗糙不平和具有粘性产物使飞灰发生粘结，由于被腐蚀的表面覆盖着这些低温粘结灰及疏松的腐蚀产物而使通流截面减小，引起烟气及空气之间的传热恶化，导致排烟温度升高，空气预热不足及送、引风机电耗增大。

若腐蚀情况严重，则需停炉检修，更换受热面，这样不仅要增加检修的工作量，降低锅炉的可用率，还会增加金属和资金消耗。

由于空气预热器发生低温腐蚀会对锅炉的安全性和经济性造成很大的危害，因此，必须注意对低温腐蚀的预防。

l、低温腐蚀的机理
燃料中的硫分在燃烧后生成S02，其中一部分S02又会进一步氧化而生成S03，S03与烟气中的水蒸汽化合形成硫酸(H2SO4)蒸汽。

当受热面的金属壁温低于硫酸蒸汽的露点温度时，烟气中的硫酸蒸汽便会凝结在受热面上，并对受热面金属产生腐蚀作用。

蒸汽开始凝结时的温度称为露点温度。

烟气中水蒸汽的露点温度称为水露点，烟气中硫酸蒸汽的露点温度称为酸露点，通常酸露点也叫做烟气的露点。

水露点取决于水蒸汽在烟气中的分压力，一般为30－60％，即使燃煤的水分很高时，烟气的水露点也不会超过66℃，事实上，锅炉正常运行时尾部受热面的壁温总是大于水露点的。

但一旦烟气中含有SO3，则烟气露点将大大上升。

如烟气中只要有O.005％左右的硫酸蒸汽含量，烟气露点即可高达130℃－150℃左右。

烟气中硫酸蒸汽含
量主要与烟气中S03含量有关，S03的形成主要有以下两种方式：(1)在燃烧反应中，燃料中的硫分在炉膛燃烧区先形成S02，部分S02再同火焰中的原子状态氧反应，生成S03，即：
SO2+O]＝S03(3—2)
炉膛中的火焰温度越高，越容易生成原子氧，较多的过剩量也会增加原子氧的浓度。

原子氧越多，烟气中的S03也越多。

(2)催化反应生成S03。

烟气流过对流受热面时，S02会遇到一些催化剂，如钢管表面氧化铁(№03)及受热面管壁上的沉积物或燃料中的矾燃烧后生成的V2O5等。

催化剂能力同温度有关，大约壁温为500—600℃时催化能力最强，这正是过热器管壁的温度范围，因此S02在受到催化剂的作用下与烟气中的过剩氧结合，在过热器区生成较多的SO3，即：
2、影响低温腐蚀的因素
受热面低温腐蚀与壁温和烟气露点有关。

烟气露点主要决定于烟气中的硫酸蒸汽的含量，而硫酸蒸汽的含量又取决于S03的含量。

烟气中S03的含量主要与燃料中的硫分、火焰温度、燃烧热强度、燃烧空气量、飞灰性质和数量以及催化剂的作用等因素有关。

低温腐蚀的速度主要与管壁上凝结下来的硫酸量和硫酸浓度以及受热面壁温有关。

一般来说，壁温越高则腐蚀速度越快。

当壁温不变时，腐蚀速度将随着硫酸的凝结量和浓度的上升而逐渐增加，但当凝结量达到一定值时，便不再影响腐蚀速度；硫酸浓度一般在56％时腐蚀速度最大，之后急剧下
降，至浓度为60％以上时，将保持在一个相当低的数值上并基本保持不变。

锅炉实际运行中，尾部受热面的腐蚀及速度变化是比较复杂的，它是壁温、硫酸凝结量与硫酸浓度三者的综合，当三者的综合影响达最大时腐蚀将最快。

3、减轻和防止低温腐蚀的措施和方法
减轻和防止低温腐蚀的途径有两条：一是尽量设法减少烟气中的三氧化硫，以降低烟气的露点和减少硫酸的凝结量，使腐蚀减轻；二是提高空气预热器冷端的壁温，使之在高于烟气露点下运行。

通常，实现前者的途径有燃料脱硫、低氧燃烧、加入添加剂等办法；实现后者的途径有热风再循环和加装暖风器等方法。

(1)提高空气预热器冷端的壁温
提高空气预热器冷端的壁温，是防止空气预热器低温腐蚀的有效措施之一。

要提高壁温，就要提高排烟温度或人口空气温度，但排烟温度的提高，将会使排烟热损失增加，锅炉热效率降低，因此排烟温度的提高幅度将是有限的。

实际运用中提高壁温最常用的方法是采用热风再循环或暖风器等前置加热器来提高空气人口温度。

对于回转式空气预热器，冷端传热元件的金属温度可用式(3—4)的经验公式进行近似计算：式中：tb－传热元件的金属温度，℃；
θpy－排烟温度，℃；
t,kg--空气预热器的进口空气温度，℃。

从式(3—4)可以看出，锅炉排烟温度或空气预热器进口空气温度的提高，
将使空气预热器冷端传热元件的金属温度相应提高。

应该指出采用热风再循环方式时，一般只宜将进口风温提高到50—65℃左右，否则，不仅会使排烟温度过高，而且还将使送风机耗电量显著增加，造成锅炉运行经济性的下降。

暖风器通常是利用汽轮机低压抽汽来加热冷空气的热交换器，凝结下来的水可送回给水系统。

采用暖风器后，虽然因排烟温度升高而降低了锅炉热效率，但由于利用了低压抽汽，因而提高了整个热力系统的经济性。

(2)燃料脱硫
煤中的黄铁矿一般可利用重力不同而设法分离出一部分，但有机硫很难去除。

燃油的脱硫，目前尚在研究中。

(3)空气预热器冷端采用耐磨蚀材料
在回转式空气预热器中，除将传热元件沿转子高度方向分作三层布置，以使易于翻转和调换使用外，一般还采用了耐腐蚀的不锈钢、陶瓷材料等制作受热面，目前有的还采用了厚度为1．2mm的耐磨蚀的柯坦(torten)钢制作冷端传热元件，以增强其抗腐蚀的能力。

(4)降低露点或采用抑制腐蚀的添加剂
采用添加剂来吸收烟气中的S03，以降低烟气露点和硫酸蒸汽含量，但反应后生成的硫酸盐是一种松散的粉尘，必须加强吹灰来予以清除。

但长期使用添加剂后仍会使受热面积灰增多，污染加重，影响传热。

目前，使用添加剂只在燃油锅炉上取得一定的效果。

(5)降低过剩空气系数和减少漏风
烟气中的过剩氧会增大S03的生成量，无论是送入炉膛的助燃空气还是锅炉各部分的漏风，对S03的生成量都有影响。

因为在烟气流程中，只要有过剩氧存在，S02便能继续变为S03。

因此，为防止低温腐蚀，应尽可能采用较低的过剩空气系数和减少烟道的漏风。

三、锅炉受热面的高温腐蚀
锅炉的水冷壁、过热器、再热器管子及其吊挂零件产生的外部腐蚀称为高温腐蚀。

高温腐蚀使承压部件的管壁减薄，从而导致发生泄漏和爆破事故，是威胁电厂锅炉安全运行的重要因素之一，因而必须给予充分的重视。

l、高温腐蚀的机理
锅炉受热面的烟气侧高温腐蚀是一个较为复杂的物理化学过程。

通常认为燃煤锅炉高温腐蚀一般有两种类型：
(1)硫化物型高温腐蚀
发生硫化物型高温腐蚀的管子，表面的结垢物中有硫化铁和磁性氧化铁(Fe304)，这类腐蚀主要发生在火焰冲刷管壁的情况下。

其腐蚀过程是：当燃料中的黄铁矿随灰粒和未燃尽的煤粉一起粘到管壁上时，受热分解出游离状态的硫和硫化亚铁，在还原性气体中游离态硫可单独存在，当管壁温度高达350℃及以上时游离态硫和铁会生成硫化亚铁，而硫化亚铁可进一步氧化成磁性氧化铁从而使金属管壁受到腐蚀，见式(3—6)。

在硫化亚铁氧化成磁性氧化铁的过程中还生成S02和S03，而它们同碱氧化物作用将生成硫酸盐。

因此实际上，硫化物型与硫酸
盐型高温腐蚀是同时发生的。

(2)硫酸盐型高温腐蚀
发生硫酸盐型高温腐蚀的管子表面有大量的硫酸盐和复合硫酸盐。

其形成过程为：在壁温为310—420℃时管壁被氧化，使受热面外形成一层Fe203和极细的灰粒污染层，在高温火焰的作用下，灰他中的碱土金属氧化物(Na20，K20)升华，靠扩散作用到达管壁并冷凝在壁面上，与周围烟气中的S03化合生成硫酸盐，管壁上的硫酸盐与飞灰中的Fe203及烟气中以SO3用，生成复合硫酸盐，复合硫酸盐在550—710℃范围内呈液态(550℃以下为固态，710℃以上则分解出S03而成为正硫酸盐)，液态的复硫酸盐对管壁有强烈的腐蚀作用，尤其在650—700℃时腐蚀最强烈。

如以M代表钾或钠，其腐蚀过程为：将上述各式的左边和右边分别相加，消去相同各项得：因此，虽然化学反应经过很多中间过程，有些物质生成又耗去，耗去又生成。

但是实质上整个过程是铁的氧化过程。

2、防止和减轻高温腐蚀的措施和方法
(1)改善燃烧，防止煤粉过粗，保证燃料在炉膛内及时燃尽。

防止火焰直接冲刷水冷壁和屏式过热器。

(2)控制壁温避免管内结垢。

防止炉膛局部热负荷过高。

合理布置受热面及通过运行调整以降低受热面的壁温。

(3)保持氧化气氛
合理配风，防止壁面附近出现还原性气体，炉内过剩空气系数不宜过
小。

(4)采用耐腐蚀钢材
提高金属的搞腐蚀能力，采用耐腐蚀的高合金钢，如采用渗铝钢管、管外敷设碳化硅涂料等。

四、锅内腐蚀
当金属材料与周围的介质接触时由于发生化学作用而使金属遭受损耗或破坏的过程称为化学腐蚀；如在腐蚀过程中还伴有电流产生时，则称为电化学腐蚀。

金属与腐蚀性介质相接触的全部表面以大致相同的速度遭受腐蚀的，称为均匀腐蚀；如果只是局部地区遭到腐蚀的则称为局部腐蚀。

在锅炉内部，上述各种腐蚀形态均能发生，且局部腐蚀通常比均匀腐蚀的危害要大得多。

锅内腐蚀是指在锅炉汽水通道内部发生的腐蚀，一般有汽水腐蚀、气体腐蚀、垢下腐蚀及电化学与机械作用共同产生的腐蚀等多种类型。

l、汽水腐蚀
汽水腐蚀是由于金属铁被水蒸汽氧化而发生的纯化学腐蚀，是过热器受热面中的主要腐蚀过程。

化学反应方程式为：在锅炉蒸发受热面中，当流动工况遭到破坏，如发生汽水分层或循环停滞等情况时也会发生这种腐蚀过程。

汽水腐蚀一般属均匀腐蚀，且不很强烈，危险性较小。

2、气体腐蚀
锅炉由于给水品质不良而引起的溶解氧和二氧化碳的气体腐蚀，属于电化学腐蚀。

(1)电化学腐蚀的机理
由于锅炉所采用的各种金属不是纯铁，它总含有其它化学成分或夹带各种杂质金属。

表面的氧化膜层往往是不均匀和不完整的，腐蚀产物在内壁上的沉淀情况也各不相同，且与之接触的给水或炉水(即电化学腐蚀中的电解质溶液)所含的成分也不同，使受热面内壁表面形成了无数微电池。

在这些微电池中充当阳极的金属，由于失去电子，并将自己的金属正离子投入溶液而遭受腐蚀。

在电化学腐蚀中，阴阳两极间的电位差越小时腐蚀也越小。

凡是能促使阳极电位增加，即能阻止阳极的正离子进入溶液中去的物质称为阳极极化剂；而具有促使阴极电位降低，即能阻止阴极的过剩电子放电的物质称为阴极极化剂。

反之，能促使阳极的正离子进入溶液的物质称为阳极去极化剂；能促使阴极过剩电子放电的物质称为阴极去极化剂。

综上所述，当锅炉炉水溶液中含有极化剂时，可使金属的腐蚀速度减慢；当炉水中含有去极化剂时，便会加速金属的腐蚀过程。

(2)锅炉受热面内的气体腐蚀
当给水中含有02时，由于02是强烈的阴极去极化剂，能吸收阴极电子形成氢氧离子OH-，困而使腐蚀过程加剧。

此外，02又能作为阳极的去极化剂，因为在水中无02存在时，铁被溶解，形成氢氧化亚铁Fe(OH)而当有02存在时，就进一步使Fe(OH)2氧化成不溶于水的氢氧化铁Fe(OH)3沉淀出来：由于Fe(OH)3的形成使阳极周围的铁离子浓度大大降低，促进了阳极上的铁离子转入水溶液，因而加速了腐蚀的进
行。

水中的溶解氧除了上述的去极化作用外，在与锅炉受热面接触时还会在铁的表面形成一层氧化铁膜，但该氧化层往往是不均匀的，那些接触不到氧气的地方则仍是铁。

由于铁和氧化铁的电极电位不同，形成了微电池，且铁的电极电位小成为阳极，因而被遭到腐蚀。

氧气的腐蚀主要发生在给水管道和省煤器中，因为锅炉给水中的氧气首先与这些管道和受热面接触。

提高给水管道和省煤器内水的流速，可以避免02停留在个别点上，使02与管道和受热面的接触较为均匀。

氧气腐蚀一般是斑形腐蚀.
当给水中存在二氧化碳气体时，能使水溶液中的氢离子H+浓度增加。

H+是阴极的去极化剂，因而将使腐蚀过程加剧。

当给水中同时存在02和C02时，C02还可起触媒作用，促使炉水中的Fe(OH)2转变为Fe(OH)3。

在转换过程中，C02并未消耗掉，因而转换过程不断进行直至02耗尽为止。

其反应过程为：因此，当给水中存在02时，只要有少量的C02便可大大增加铁的腐蚀。

3、垢下腐蚀
垢下腐蚀也是一种电化学腐蚀。

当锅炉给水中含铁量较高时，便会在锅炉的高热负荷区受热面上形成氧化铁垢的沉淀，这是一种腐蚀产物的沉淀。

．当受热面内壁存在氧化铁沉淀物时便会影响传热效果使高负荷区的管壁温度升高。

由于壁温升高，使管内表面的氧化膜遭到破坏，由此而形成了氧化铁垢与铁的微电池，其中铁的电位较低成为阳极而
受到腐蚀。

由于氧化铁垢是一种固态阴极去极化剂，它将吸收过剩电子而还原，由高价Fe203变成低价的磁性氧化铁Fe304，并在还原中放出02；而02又是强烈的阴极去极化剂，因此使腐蚀过程越来越剧烈。

氧化铁垢下腐蚀的形态是斑形腐蚀。

给水中加入联氨N2H4，可以起到消除已经形成的氧化铁垢的作用。

当给水中铜离子的含量较多时，在高热负荷区的水冷壁内表面上便会形成铁铜水垢，这是由于管内壁铁上的过剩电子被炉水中的铜离子吸收生成中性原子铜沉淀在管壁上的缘故。

铁铜水垢的垢下腐蚀，是由于铜与铁在炉水中形成了微电池而引起的电化学腐蚀，这种腐蚀一般呈点腐蚀形态。

由于垢下腐蚀主要发生在炉内热负荷高的水冷壁受热面，为此应严格规定给水中铁和铜的含量。

4、电化学和机械作用共同产生的腐蚀
在锅炉汽水系统中，或多或少总存在着电化学腐蚀作用，当由于某些原因造成机械腐蚀时，两者的影响便将叠加。

(1)交变应力腐蚀
当直流锅炉的蒸发受热面内发生脉动或水平沸腾管内发生汽水分层时，受热面的管子将受到交变的热应力，由于此时还同时受到电化学腐蚀的作用，因而金属的疲劳极限将大大降低，有可能形成穿晶裂缝而损坏。

(2)磨损腐蚀
磨损腐蚀一般又称之谓磨蚀，常见的磨蚀有以下几种：
A、冲击腐蚀
这种磨蚀的磨损作用是由于液体湍流或冲击所造成的，在锅炉受热面管道上的调节阀、节流阀、管子弯头及管径突然减小等处常会遇到这种冲击腐蚀。

B、空穴腐蚀
这种磨蚀的磨损作用是由于高速流动的液体在不规则的流动中产生了所谓的空穴，在压力和流动条件发生频繁变化时，空穴会发生周期的产生和消失现象，当空穴消失时便会在靠近空穴的金属表面产生“水锤”作用，使金属受到冲击并能破坏金属表面的保护膜，使腐蚀作用得以继续深入下去。

在锅炉的沸腾式省煤器中，当产生蒸汽后，在工况变动时，汽泡可能会与较低温度的水相接触而骤然凝结，造成局部真空，从而产生了水冲击。