纯钛烟道膨胀节在火电湿法脱硫改造中的应用分析

邢浩，张伟，张源清

(华电漯河发电有限公司，河南 漯河 462300)

纯钛烟道膨胀节在火电湿法脱硫改造中的应用分析

邢浩，张伟，张源清

(华电漯河发电有限公司，河南 漯河 462300)

火电厂脱硫区域烟道与主机烟道直接相连，超低排放改造后，脱硫烟气温度更低，腐蚀性更强，改造后脱硫系统的安全、稳定运行成为研究重点。以华电漯河发电有限公司为例，分析了纯钛烟道膨胀节在脱硫系统应用的可行性，并在脱硫区域改造中成功应用，供同类机组参考。

火电厂；纯钛烟道；膨胀节；湿法脱硫；净烟道

0 引言

根据GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》要求，及《河南省燃煤机组超低排放改造专项行动方案》等地方法规的要求，2016—2017年各地火电现役机组脱硫排放浓度执行35 mg/m3，中高硫煤区域火电脱硫机组为满足这一要求，进行了双塔脱硫改造、单塔双循环改造等，无论哪种方案均不同程度地增加了吸收塔气液比，通过洗涤进一步降低了脱硫排烟温度。经调研，部分超低排放机组脱硫后排烟温度已低至45 ℃，在该温度下，脱硫湿烟气对烟道系统的腐蚀性进一步加强，对脱硫烟道防腐性能提出了更高要求，尤其是烟道膨胀节位置。调研发现，国内绝大多数机组选用非金属蒙皮+框架的形式作为湿烟道膨胀节，因材质、打孔、防腐工艺、安装工艺、启停机热胀冷缩等各种原因，多数电厂脱硫湿烟道膨胀节存在不同程度的腐蚀渗漏情况。

本文通过对脱硫湿烟气腐蚀机制、钛防腐性能的研究，探讨钛膨胀节在脱硫系统的应用前景，并通过钛膨胀节在脱硫现场的试验性应用，论证其可行性。

1 脱硫系统及膨胀节腐蚀情况分析

火电机组锅炉烟气经静电除尘后，高温烟气(100～150 ℃)主要含有SO2，SO3，HCl，HF，NOx、烟尘及水汽等成分,经脱硫吸收塔系统喷淋洗涤后,烟气的主要成分为饱和水汽和残余的SO2，SO3，HCl，HF，NOx携带的SO42-，SO32-等，一般认为脱硫烟道发生腐蚀的原因主要有以下3种：(1)SO2和SO3引起的化学腐蚀；(2)Cl-和F-引起的电化学腐蚀；(3)流体冲刷引起的机械腐蚀[1]。

脱硫烟道膨胀节多选用非金属膨胀节、镍基金属膨胀节[2]，其中以非金属膨胀节居多，国内多数设计院将脱硫专用非金属膨胀节编入脱硫设计导则，指导脱硫系统选型及应用。

实际应用中，不管哪种形式的非金属膨胀节，均为法兰(分为水平法兰和垂直法兰2种形式)连接，施工过程中，需在烟道上焊接膨胀节框架，在烟道防腐期间对法兰端面进行玻璃鳞片防腐，待玻璃鳞片固化后进行膨胀节蒙皮安装，在蒙皮外侧使用压板压紧，这期间需多种工序交叉进行，对施工工艺及监督有较高要求，不可避免地出现“法兰-鳞片-压条-蒙皮-压板”这一组合[3]，在压板安装时，法兰端面玻璃鳞片受压，不可避免地会出现压损、内部开裂等情况。

脱硫系统投运后，随烟气温度变化，受应力影响，膨胀节位移形变[1]，部分电厂脱硫烟道膨胀节会出现“启动漏”现象，重新对压板螺丝进行加固后，能减免泄漏情况，但会进一步压损法兰端面鳞片，造成“越漏越紧，越紧越漏”这一不可逆情况，最终，脱硫烟道法兰端面受烟气渗漏腐蚀，法兰损伤，造成脱硫烟道膨胀节泄漏不可修复。

镍基金属膨胀节材料以316L，2205，2507为主，316L对SO3及Cl-离子抗腐蚀能力较弱[4]，经调研，在脱硫湿烟道实际使用中，平均寿命不超过2年；2205，2507材质金属膨胀节有少量使用，国内有不少良好业绩，本文不做论述。

2 钛膨胀节的研究

钛及其合金具有许多优异性能，钛的熔点高(1 668 ℃)、密度小(4.5 g/cm3)、强度大(抗拉强度400～770 MPa，钛合金达1 800 MPa)[5]。钛合金在-250～510 ℃温度下均具有足够的韧性。钛最突出的性能是耐蚀性，无论在氧化性环境中，还是在氯化物、硫化物、湿氯等苛刻的腐蚀介质中都表现出良好的耐蚀性。这是因为：(1)钛的致钝电流密度较小，致钝电位较负，稍具氧化能力的氧化剂就能使其钝化。(2)钛的稳定电位范围较宽，不易形成“过钝化”。(3)钛的钝化态不易被破坏，即使表面被划伤也能迅速修复，所以钛的钝化膜具有很高的稳定性[6]。

钛在管道膨胀节上有较多应用，因其价格昂贵，应用范围较窄，但随着发展，我国完全依靠自身的钛资源及技术力量建立了“采选—冶炼—熔炼与加工”和“研究—生产—应用”两个完整的工业体系[7]，钛材的价格由原来的数十万元/吨降低到十万元/吨，与国内镍基不锈钢金属基本持平，在制作同尺寸零件时，因钛密度低于镍基不锈钢密度(7.98 g/cm3)[8]，用料重量也有40%以上的减少。

同时，因其优越的延展性、韧性，在设计、制作期间，厚度可以控制在2 mm以内，比镍基膨胀节节省大量材料，在脱硫烟道区域制作安装钛膨胀节，其综合价位与非金属膨胀节、镍基金属膨胀节接近持平，综合考虑其优越性能，安装钛膨胀节有较高的优势及可行性。

3 钛膨胀节的实际应用方案

华电漯河发电有限公司机组装机容量为2×330 MW，锅炉型号为SG-1120/17.50-M732，除尘装置采用山西某公司配置双室五电场静电除尘系统，电除尘装置入口增加低低温省煤器，进一步降低烟温，脱硫系统为石灰石-石膏串联双塔，共配置6层喷淋层、1层合金托盘、5层屋脊式除雾器，设计排烟温度45 ℃。脱硫系统湿烟道膨胀节原设计均为非金属膨胀节。

随着机组运行，期间机组多次启停，烟道膨胀节在膨胀收缩过程中多次发生腐蚀泄漏。2016年机组运行期间烟囱入口膨胀节漏水，检查发现膨胀节法兰端面腐蚀损坏，螺栓孔腐蚀，已无修复价值，需进行膨胀节整体更换。华电漯河发电有限公司结合烟囱钛板、钛钢复合板施工经验，对比施工难度、造价、使用寿命等因素，综合考虑论证，确定使用纯钛膨胀节作为烟囱入口膨胀节，彻底解决烟囱入口烟道膨胀节腐蚀损坏情况。

3.1 应用施工过程

(1)根据原膨胀节设计压力、膨胀余量、安装尺寸进行设计，钛材选用TA2材质，厚度为2 mm，膨胀节宽度为300 mm，膨胀余量为±50 mm，将纯钛膨胀节设计为12段分体式单波纹钛膨胀节，分为4个直角段(∟1 000 mm×1 000 mm×350 mm)及8个水平段(2 000 mm×350 mm)，并委托机加工厂对钛板进行压型制作(如图1所示)。

图1 钛膨胀节加工零件

(2)零件到厂后，对焊缝进行100%着色检测。

(3)根据钛对钛、钢对钢的焊接原则，将钛钢复合板钢板侧焊接在烟道内侧，内外满焊并进行焊缝检测。

(4)将钛膨胀节压型板分段焊接在钛钢复合板钢板钛板侧[9]，对焊缝进行着色检测。

(5)对钢烟道与钛钢复合板钢板接口位置进行鳞片防腐及树脂玻璃丝布加固，表面刷涂环氧树脂漆进行封闭，整体施工完成。钛膨胀节安装完成及焊缝检验如图2所示。

图2 钛膨胀节安装完成及焊缝检验

3.2 施工难点

(1)烟道与钛钢复合板钢板、钛钢复合板钢板与钛膨胀节均为内插焊接[10]，在制作安装过程中应注意尺寸。

(2)所有钛焊接应严格执行焊接工艺质量及验收程序。

(3)钢烟道与钛钢复合板钢板接口位置为薄弱环节[11]，防腐作业期间应进行2 mm鳞片作业及2 mm纤维增强树脂基复合材料(FPR)作业。

4 钛膨胀节应用的效果

华电漯河发电有限公司钛膨胀节设计、制作、安装造价与非金属膨胀节造价基本持平，2016年6月钛膨胀节施工完成后，连续运行1年，2台机组烟囱入口位置实现全年“零泄漏”。2017年7月机组检修，在钛膨胀节连续冲刷运行1年后，对烟囱入口钛膨胀节进行了测厚及外观检查[12]，检测结果显示：分点测厚值与安装值一一对应，钛膨胀节内、外表面光洁如新，钛焊缝饱满完好，无砂眼、开裂迹象，钛膨胀节与烟道接缝位置完好，无腐蚀情况发生，真正实现“零腐蚀、零磨损”，如图3所示。

图3 钛膨胀节使用1年后检测情况

5 结论

钛及其合金以其优异的耐腐蚀性能被广泛应用于国内石油、化工等行业，并取得了良好的效果，随着国内钛工业的不断进步与发展,钛材在防腐应用领域将发挥更大的作用。华电漯河发电有限公司通过探索与实践，证明钛膨胀节在脱硫烟道上有着良好的应用前景，同时也为脱硫行业后续的发展提供了宝贵的实践经验。

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[12]卢秀荣.浅议金属波纹管膨胀节的力学特性、主要类型与工程应用[J].化工设备与管道，2010，47(2)：38-44.

(本文责编：白银雷)

邢浩(1986—)，男，河南漯河人，助理工程师，从事火电脱硫系统的运行维护管理及改造工作(E-mail:xinghaoqqq@163.com)。

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2017-07-10；

2017-10-21