火电机组锅炉炉管沉积物类型及防止爆管措施

王威

摘 要：分析了锅炉炉管内沉积物的形成原因、类型、危害、主要特征以及减少和防止锅炉受热面产生沉积物和锅炉爆管的措施方法，做好技术监督工作，保证机组的正常运行。

关键词：锅炉炉管；沉积物；防止爆管措施

中图分类号：TB     文獻标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.24.079

锅炉炉管内沉积物的形成与炉管过热、炉管过负荷以及汽水品质不良、发生水汽相变、工质扰动和炉管管材表面有缺陷等多种因素有关。由于锅炉炉管产生沉积物增加了热阻，不仅增加排烟温度，使煤耗升高，降低锅炉效率，还会造成有沉积物的部分炉管金属超温，甚至发生锅炉爆管事故。因此，应对炉管内沉积物的产生以及造成危害要进行充分认识并采取相应措施，对出现沉积物的炉管进行必要的检查和处理，减少或避免机组的非停事故。

1 锅炉炉管内沉积物的形成原因、类型

锅炉炉管内沉积物主要有以下几种：

（1）氧腐蚀沉积物；

（2）钙镁和硅酸盐沉积物；

（3）磷酸盐沉积物；

（4）水汽系统中铁氧化物沉积物；

（5）高温铁氧化物沉积物；

（6）锅炉炉管内表面凹凸不平累积的沉积物；

（7）弯管段水汽冲刷形成的沉积物；

（8）更换的炉管内积存的沉积物。

其中1～5种，是炉管腐蚀或水汽中产生的，6～8种是由于炉管内工质扰动或管子存在原始问题形成的。

1.1 氧腐蚀沉积物

氧腐蚀沉积物的特征是腐蚀产物堆积鼓包。鼓包的直径从1毫米到20毫米甚至30毫米不等，也称为溃疡腐蚀。鼓包表面的颜色呈黄褐色、砖红色或黑褐色，次层是黑色粉末状物质。沉积物表面的颜色不同是因为腐蚀产物由不同的中间化合物或晶态不同的物质组成。将这些腐蚀产物除去之后，可看到一些大小不一的腐蚀坑。如果锅炉采用“热炉放水、 余热烘干”保护方法，几个月后受热面管内壁就会产生较明显的氧腐蚀形态，长时间停炉受热面管内壁就会产生较深的氧腐蚀坑。氧腐蚀形成的腐蚀沉积物，不进行清理或化学清洗则不会完全脱离或消失。在锅炉运行过程中由于炉管温度、溶解氧含量的变化，氧腐蚀形成的腐蚀沉积物会逐步转化成致密的氧化铁沉积层。

1.2 钙镁和硅酸盐沉积物

如果炉水有硬度或是炉水中二氧化硅含量较大时，会在炉管内壁表面形成水垢。当蒸汽中铁、铝、钠、硅含量较大时，易在炉管内壁表面和汽轮机高压通流表面形成难溶的铝钠硅氧化物（如：方沸石（Na2O·Al2O3·4SiO2）和硅酸盐水垢。

水垢的导热系数比钢材低几十到几百倍。如果炉管内壁积水垢较厚，炉管壁温会明显升高，不仅降低锅炉效率，还会造成有沉积物的炉管金属超温，甚至发生锅炉爆管事故。

1.3 磷酸盐沉积物

产生“磷酸盐隐藏”的原因之一是在水冷壁管存在超温、湍流冲刷和有沉积物分布的管段时，近壁层炉水会剧烈蒸发使炉水中的磷酸钠盐被浓缩到其饱和浓度，在炉管内壁表面结晶析出磷酸钠盐的固相沉积物。“磷酸盐隐藏”的出现使水冷壁管内近壁层炉水中产生游离NaOH，可能引起炉管金属的碱性腐蚀。磷酸盐隐藏的特征是：在负荷增加时，炉水中的磷酸盐浓度降低，pH值增加；负荷降低时，炉水中磷酸盐含量增加，pH值降低。原因之二是析出沉积的酸性磷酸盐

Na2.85H0.15PO4、Na2HPO4和NaH2PO4的混合物与炉管内壁上的Fe3O4膜发生反应，在金属表面上生成钠铁复合磷酸盐NaFePO4固相附着物。此时“磷酸盐隐藏”引起炉管的酸性腐蚀。酸性磷酸盐腐蚀与碱性腐蚀产物有两个明显区别的层，外层呈黑色，内层呈透明的灰色，主要是NaFePO4。 腐蚀产物中存在NaFePO4是酸性磷酸盐腐蚀的一个关键特征。 近十余年隐藏以来，汽包锅炉炉水处理多已采用低磷酸盐等处理工艺，基本消除了严重的磷酸盐问题。但部分机组由于凝汽器、热网换热器发生泄漏以及停备用启动时系统冲洗不合格，为了控制炉水参数和避免炉管沉积钙镁垢，在短时间内加入浓度较高的磷酸盐时，会产生“磷酸盐隐藏”问题。

1.4 铁氧化物沉积物

水汽中氧化铁在炉管表面主要沉积在热负荷高的炉管管壁上，如燃烧器附近、偏烧、水动力不足、工质扰动流向后管段以及结焦或落焦接触的炉管等处。高参数和大容量锅炉当水汽铁含量达到标准值时也会产生氧化铁垢。 超临界机组的给水和蒸汽的铁含量标准值和期望值分别是小于等于5μg/L和3μg/L。亚临界机组的给水和蒸汽的铁含量标准值和期望值分别是小于等于10 μg/L和5μg/L。研究表明，当炉管的局部热负荷达到350000W/m2时，炉水含铁量只要超过10 μg/L，就会产生氧化铁沉积。

机组实际运行表明，蒸汽中铁含量达到期望值， 才可以基本避免在汽轮机通流表面产生氧化铁沉积垢层，锅炉达到10年不需要进行化学清洗的水平。结垢量大的主要原因是未实施给水加氧处理工艺。

1.5 高温氧化铁沉积物

当水、蒸汽温度超过450℃时，水汽可与碳钢、铬镍合金钢中的铁发生化学反应（3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2），这种化学腐蚀称为汽水腐蚀。生成以Fe3O4为主要成分的多孔疏松的沉积物。汽水腐蚀的程度与金属管材的耐高温水汽氧化的性能有关。当机组实施给水加氧工艺后，Fe3O4氧化为Fe2O3，在金属表面形成密实的氧化铁，连续且致密与金属紧密结合氧化膜对抑制金属管材的高温水汽和氧腐蚀具有一定的作用。

防止汽水腐蚀的主要措施就是防止炉管金属过热。如：消除局部水动力不足、偏烧、原始管段表面状况不良等问题，其次是选用合适的耐热钢等方法。

1.6 炉管内表面凹凸不平造成的氧化铁沉积物

当雷诺数小于临界值时，一定条件下的水汽在比较光洁的平直、平滑（半径满足一定流速下要求）的直管和弯管中以层流状态流动，但是当炉管内表面存在高出或低于管內表面的焊缝（类似流量孔板、节流、减压孔板）、对接相同直径管段但不同心、异经管段对接未倒角、局部堆积腐蚀产物等情况时，在这些部位工质流向的后部管段会出现旋流、汽液两相、膜态蒸发区域，随着远离产生节流效应的部位，炉水逐步恢复层流状态。

炉管内表面凹凸不平造成的氧化铁沉积物一般是致密的、较厚的垢层，形成了垢下浓缩腐蚀环境。如果炉水和蒸汽质量不高或某一阶段超标劣化，可能短时间内在垢下形成盐类浓缩和腐蚀，造成穿孔、氢脆等破坏。

1.7 弯管段水汽冲刷形成的沉积物

锅炉受热面中人孔、看火孔等有许多弯管管段，易产生冲刷腐蚀。如果弯管曲率不当，在弯管出口段内侧会出现紊流冲刷较强烈点位，产生FAC（流动加速腐蚀），造成弯管内侧局部减薄较严重甚至穿孔情况，其冲刷腐蚀产物沉积在冲刷部位后的管段上形成了垢层。

1.8  因原始炉管问题形成的沉积物

如果准备更换的炉管内表面有锈蚀、沙土等附着物，应进行彻底清理。如果清理不彻底，锅炉运行后成为腐蚀和结垢部位。沙土溶解，增大水汽中钙、镁、钠、铝、硅等杂质沙含量。如果炉管已存在明显的腐蚀坑点，这些腐蚀坑点容易成为腐蚀阳极点和积存溶解盐类，进一步发生腐蚀。

2 减少和防止锅炉受热面沉积物以及爆管的措施

在机组启停、运行过程中要做好减少和防止锅炉受热面产生沉积物以及锅炉爆管的措施，以降低锅炉爆管的风险，保证机组正常稳定安全运行。

2.1 保证机组给水、炉水水质满足达标或更好要求

安装并投用凝汽器检漏装置，同时检测高低背压侧凝汽器水样。各热网加热器在疏水侧设置氢电导率在线仪表。电导率信号接到值班室并设置声光报警。根据过滤器除铁效率和出水质量做好擦洗操作。高速混床应100%氢型运行，出水质量满足GB/T 12145—2016《火力发电厂及蒸汽动力设备水汽质量》的期望值。 优化机组水汽处理工艺，具备加氧条件应实施给水加氧处理工艺。汽包锅炉湿冷机组宜实施低磷酸盐或氢氧化钠处理工艺，空冷机组热网换热器基本不泄漏条件下宜实施全挥发处理。

2.2 提高机组停运保养效果

目前比较有效的机组常用的中长期停用保护方法有：（1）氨水碱化烘干加抽真空法；（2）充氮法；（3）热风吹干法；（4）成膜法。

停用保护的目的是：（1）使机组热力系统管道和设备内的湿度低于60%；（2）避免空气进入热力系统。有效的停用保护效果可以避免机组停用期间氧腐蚀的发生、基本消除炉管沉积物中浓缩杂质盐类水解的电化学腐蚀。经验表明，较好执行氨水碱化烘干加抽真空法的机组，可以在12 h内实现机组带负荷，在带负荷8 h内机组各项水汽指标满足标准规定。热力系统净化冲洗用水量在800 t以内，冷热态冲洗排水铁含量不大于500 μg/L。

2.3 严格执行机组启动热力系统净化措施和指标

最有效的热力系统净化方法是凝汽器、除氧器、锅炉整体放水，启动前进行人工清扫。除氧器加热蒸汽在除氧器上水后便可以投用。利用厂用蒸汽加热系统进行锅炉热态冲洗，可以实现不用点火实现锅炉的热态冲洗要求，还可以提高炉膛温度，避免冷炉点火冒黑烟。

热力系统的冷、热态冲洗要做到热力系统逐级进行，前级系统冲洗不合格，不能进入下一级。给水、炉水水质不合格时锅炉不能升参数，蒸汽参数不合格时不能冲转。计算机组启动过程中热力系统净化时冷、热态冲洗用水量、 冲洗水铁含量的高低、满足标准的时间以及带负荷后水汽指标满足运行标准的时间，对机组停用保护效果进行评价、总结和改进。

2.4 锅炉更换炉管时的检查和处理

备用管段要端口密封，定期检查，防止空气进入出现结露现象。安装前对封口缺失的管子用仪用压缩空气吹扫，锅炉换管垢量超过35 g/m2时应采取化学清洗方法除掉锈蚀产物。换管数量达到炉管数量的30%且垢量超过40 g/m2时，宜整炉进行化学清洗。

2.5 锅炉改造时的注意事项

锅炉增加受热面、延长或缩短管排、形成新的炉墙孔洞时应系统性考虑锅炉水动力、弯管曲度，并考虑运行时受热面热负荷的情况。选用不易产生冲刷腐蚀的材料或选用壁厚管段用于弯管冲刷部位。

2.6 灵活性和深度调峰机组的注意事项

监测灵活性调峰、深度调峰过程中锅炉热负荷分布情况，及时发现炉管壁温较高的管段，注意检查燃烧器、炉墙固定钢架等有外部焊接件的炉管运行温度，这些管段由于部位和空间限制，可能存在焊接影响不良区域，造成金属材料性能降低，在正常运行温度下也会形成高温氧化沉积物而出现超温现象。这些部位因有固定点或外挂设备，存在拉应力或在负荷高低变化时的交变应力，容易发生应力腐蚀开裂或腐蚀疲劳问题。

2.7 机组检修重点检查部位

加强高热负荷、超温、结焦、有外部焊点、弯管处有焊缝等部位炉管的检查，加强锅炉改造后炉管的检查。及时更换存在问题的管段。锅炉水冷壁割管检查垢量大于等于DL/T794《火力发电厂锅炉化学清洗导则》规定时，应安排进行化学清洗。对于运行时间超过50000小时的锅炉，应结合割管垢量数据、金属材料性能确定是否进行化学清洗。灵活性、深度调峰的机组，垢量未达到清洗规定，但年限超出规定年限，建议安排化学清洗，消除沉积物带来的安全隐患。

2.8 做好技术监督和问题整改工作

按照锅炉、化学等专业技术监督导则的规定，制定技术监督的台账种类和格式。将机组调试、运行、启动过程中的水汽、炉管壁温、停用保护、检修检查垢量、重点部位检查信息、技术改造等数据和信息填写在台账中。历史数据是技术、经济和事故分析的基础，应将各种数据台账按照工作职责分配到相应岗位人员，确保技术监督数据和信息的可靠性、完整性和连贯性。

3 结束语

锅炉炉管沉积物的形成有热负荷、水汽品质、水汽相变、流体扰动和管材状态不佳等多种影响因素。沉积物会造成炉管过热、盐类浓缩和垢下腐蚀，严重时导致炉管泄漏甚至爆管。根据机组启停及运行时的监测数据和事故经验，主动采取检查、检测和合理的处理措施，是减少锅炉受热面产生沉积物和降低爆管风险的有效方法。

参考文献

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