余热锅炉模拟给水水质对碳素钢材料的影响

张好峰

(大唐东北电力试验研究所有限公司，吉林 长春 130012)

燃气—蒸汽联合循环发电机组与传统的燃煤发电机组相比，具有建设周期短、发电效率高、启动快、调峰能力强、占地面积小、用水少、环保等优点，可以大大改善电力系统运行环境，增强系统的调峰能力和事故应急处理能力[1-4]。

余热锅炉作为联合循环发电机组的主要组成部分，其给水质量标准与其炉型、压力等级等因素有关。国内常见的余热锅炉多为三压式汽包炉，3个汽包的压力等级相差很大，这就对余热锅炉的给水处理提出了严格要求。现行的GB/T 12145—2016《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》以及DL/T805.4—2016《火电厂汽水化学导则 第4部分：锅炉给水处理》中并没有针对余热锅炉的水汽质量标准。流动加速腐蚀作为余热锅炉最易发生的腐蚀损坏，其主要因素有水流状态、金属材质、温度以及水的氧化还原电位等。流动加速腐蚀(FAC)是在还原性水环境下发生的腐蚀形态，多发生在70～300 ℃、低溶解氧浓度、低pH值的紊流区域。三压余热锅炉最易发生FAC的部位是碳素钢材质的低压汽包、低压蒸发器，其设计运行温度约为150 ℃。经相关研究发现，通过提高溶解氧浓度和pH值可以有效抑制FAC的发生[5-6]。

为考察余热锅炉给水水质对碳素钢材料的影响，本文选择在150 ℃的试验条件下，改变联氨浓度、pH值、溶解氧浓度等影响因子进行了模拟试验。

1 试验方法

本试验使用STB340碳素钢管(其化学成分与我国Q235C相近)沿长度方向切割出的平板状试验片，尺寸为40 mm×20 mm×2 mm。试验片STB340及Q235C的化学成分对比如表1所示。

表1 STB340及Q235C化学成分对比 %

试验片表面使用800号砂纸湿式研磨，经丙酮溶液脱脂后，用于试验测定。本次模拟FAC的试验装置如图1所示。将试验片置于高压釜中，经高温高压水(150 ℃，5 MPa)从喷嘴喷出，垂直喷射到试验片上，在20～100 h内进行试验。试验结束后，在添加缓蚀剂的常温硫酸溶液中进行阴极电解还原，去除试验片表面的氧化膜，然后利用粗糙度仪再次测定试验片的表面形状，通过试验前后的形状变化来计算减薄深度。

图1 试验装置

为了测定流速、ORP(氧化还原电位)对试验片腐蚀电位的影响，本试验采用Ag/AgCl为外部参考电极，试验片为工作电极。在水质调节罐中调节试验水溶解氧和pH值，经高压泵升压，预热器升温后进入喷嘴。在升压后通过加药罐调节所需的联氨、NaCl和Na2SO4浓度。

2 试验结果

2.1 联氨影响

流速为6 m/s时联氨浓度对减薄速度的影响如图2所示。在pH9.0的水质中添加10 μg/L的联氨，较未添加联氨的水质中减薄速度增加约3倍。pH9.3时添加50 μg/L的联氨，其减薄速度同样增加了约3倍。pH9.4时添加联氨浓度为20 μg/L时，与未添加联氨相比，减薄速度增加了约5倍。另外，添加395 μg/L的Na2SO3的试验结果与添加50 μg/L联氨的减薄速度相同。因此，认为除氧剂全部具有增加减薄速度的效果。

图2 联氨浓度对减薄速度的影响

在低pH值、低溶解氧浓度、70～300 ℃的流动水温环境条件下，联氨等还原剂的存在会加速FAC的发生，其发生机理如图3所示。

图3 联氨等除氧剂存在条件下FAC发生机理

联氨对150 ℃高温水中ORP的影响如图4所示。添加10 μg/L联氨的ORP显著下降，随着添加联氨浓度的增加，ORP小幅度下降，当添加联氨的浓度达到40 μg/L以上时，ORP的变化很小。结果表明，与增加联氨浓度时减薄速度会提高一样，ORP的下降与减薄速度相对应，即联氨的存在使水中的氧化能力降低，金属在高温水中形成氧化膜的过程被抑制。因此，在静止的水环境中，联氨对FAC的影响基本没有区别，在流动的水环境中，联氨的影响很大。

图4 联氨浓度对ORP的影响

2.2 pH值和污染物影响

pH值和污染物对减薄速度的影响如图5所示。在没有添加污染物的条件下，pH9.0时的减薄速度约0.25 mm/a，将pH值调至9.2以上时减薄速度降至0.08 mm/a。在添加联氨50 μg/L、pH9.0的水环境中，减薄速度非常高，为0.88 mm/a；但是随着pH值的上升减薄速度直线下降，在pH9.7的条件下减薄速度降至0.03 mm/a。

图5 pH和污染物对减薄速度的影响

由以上结果可知，给水中存在NaCl、Na2SO4时因FAC而引起的减薄被加速，联氨存在时会增大减薄速度。但在污染物与联氨共存的条件下，将pH值调节至9.7以上就能够有效抑制FAC。在没有添加联氨的AVT(O)给水处理中，即便考虑腐蚀性阴离子的混入，只要将给水pH值调节至9.3以上就能抑制因FAC而引起的减薄现象。

2.3 溶解氧影响

在25 ℃时使用氨水将模拟除盐水pH值调节至9.0，并使用该模拟除盐水在150 ℃、溶解氧浓度分别为2 μg/L以及5 μg/L的条件下，改变不同流速时测得的碳素钢试验片STB340的腐蚀电位结果如图6所示。随着流速提高，碳素钢的腐蚀电位有所上升，在溶解氧浓度为2 μg/L的条件下，流速提高至20 mm/s时，试验片的腐蚀电位依然没有达到Fe2O3的临界电位值，试验片表面处于Fe3O4的生成区域；当溶解氧浓度升至5 μg/L、流速为2 mm/s时，碳素钢的腐蚀电位到达Fe2O3的临界电位值，随着流速继续增大，试验片的腐蚀电位完全进入Fe2O3的稳定区，试验片表面处于Fe2O3的生成区域。与Fe3O4相比，γ-FeOOH和α-Fe2O3的溶解度非常小，具有良好的防腐蚀性，能够有效防止FAC的发生。

2.4 高pH值停炉保护

使用氨水进行停炉保护的模拟浸泡试验结果如图7所示。试验在常温、密闭的玻璃容器内进行，试验片浸泡在一定量的大气饱和试验水中。随着pH值不断提高，停炉保护时的腐蚀速度逐渐减小，在pH10.5时，没有发现因氧气存在而发生的氧腐蚀，碳素钢试验片在浸泡时间长达28天后，依然能够看到试验片表面的金属光泽，有效抑制了停炉保护过程中腐蚀发生。

图6 碳素钢腐蚀电位与流速的关系

图7 使用氨水进行停炉保护试验结果

3 结论

a. 与未添加联氨的水质相比，联氨浓度大于10 μg/L的水质可加速FAC速度2～5倍。在联氨存在的水质条件下，需要将给水pH值提高至9.7以上才能有效抑制FAC的发生。

b. 联氨的存在使氧化能力降低，金属在高温水中形成氧化膜的过程被抑制。因此，在静止的水环境中，联氨对FAC的影响基本没有变化，在流动的水环境中，联氨的影响很大。

c. 在没有联氨存在的给水中，即便考虑腐蚀性阴离子的混入，只要将给水pH值调节至9.3以上就能抑制因FAC而引起的减薄现象。

[1] 张家维，孙德俊，冷 杰.300 MW燃气—蒸汽联合循环三压再热余热锅炉特点[J].东北电力技术，2007，28(4)：30-33.

[2] 谭旭南，杨 威，魏 盾.燃气—蒸汽联合循环发电机组水汽品质监督应用[J].东北电力技术，2011，32(3)：24-27.

[3] 朱士圣，吴怡卫，孙耀峰.大型联合循环机组化学水工况的控制与监督[J].江苏电机工程，2008，27(2)：76-80.

[4] 彭 群.燃气—蒸汽联合循环机组快速启动中水汽品质控制与监督[J].重庆电力高等专科学校学报，2016，21(2)：35-40.

[5] 王利宏，单建明，李 伟，等.联合循环余热锅炉中的流动加速腐蚀[J].发电设备，2010，40(6)：409-413.

[6] 毕法森，孙本达，李德勇.采用给水加氧处理抑制流动加速腐蚀[J].热力发电，2005，35(2)：52-53.