热力设备防锈蚀技术的研究与应用

摘要：当热的机械装置处于停止或备用状态时，空气里的水分与氧化物将会渗入其内部结构之中，导致设备表面与空气中水分发生化学反应造成设备的严重锈蚀，成为机器再次开启之后高风险运行的关键源头。鉴于此，邹县发电厂开展了停备的防锈蚀方法研究，采用氨水碱化烘干法、成膜胺法、充氮法等方法防锈。应用效果表明，这三种方法能够有效控制设备表面锈蚀，解决了设备停止或备用状态的锈蚀严重问题。

关键词：电厂设备；停用期间；防锈；成膜胺法；氨水碱化烘干法

引言

火力发电（煤炭和天然气）发电行业规模巨大，约占全国碳排放的三分之一。近年来火电机组停（备）用时间逐年增多，据统计鲁苏皖区域82台火电机组的平均停（备）用天数达到120天左右，在双碳减排背景下，机组停（备）用时间较多的形势不可逆转。热力设备停（备）用期间的腐蚀比较严重，导致的运行期间的事故也时有发生，各发电企业做好停（备）用热力设备防锈蚀工作至关重要。

热力设备锈蚀原理分析

当热的机械装置处于停止或备用状态时，空气里的水分与氧化物将会渗入其内部结构之中，挥发后覆盖到材质上造成一层湿润的外部环境条件。同时由于外部的大部分气体都含有一定数量的氧分子，与空气中水分发生化学反应造成设备的严重锈蚀。设备金属材料表面在停用期间发生的氧化腐蚀过程如下：阳极反应：Fe→Fe2++2e；阴极反应：O2+2H2O+4e→4OH-。与此同时，阳极反应生成的阳离子Fe2+和阴极反应生成的阴离子OH-会继续发生电化学反应生成Fe（OH）2和Fe（OH）3 ，经脱水而产生的混合产物Fe3O4。

热力设备锈蚀危害

因为金属被侵蚀产生的氧化铁（Fe3O4）较为稀薄且不易黏附于设备表面，无法有效地为金属表面提供有效防护，一旦侵蚀发生，则会持续并扩大。此外，氧化铁也阻碍了空气中氧分子的流动，导致金属表面的氧分子浓度过高，这将会加速金属的基础部分的侵蚀速度。

热力设备在停（备）用期间若未实施适当的安全防护手段，热力装置在非使用状态下可能遭受严重侵蚀，导致其表层出现大量的腐蚀凹陷及微型穿孔。由于这种侵蚀主要发生在热力设备处于停止或备用阶段，可能成为机器再次开启之后高风险运行的关键源头。常见典型案例包括汽轮机停用腐蚀、水冷壁停用腐蚀、汽包停用腐蚀。

停（备）用期间常用防锈蚀方法

氨水碱化烘干法

氨水碱化法原理

随着pH值的升高，金属阳离子能够转变为离子化合物。如铁离子在pH为10的碱性溶液中，易生成Fe3O4，而Fe3O4是一种致密、坚硬的磁性化合物，能够以其微小的层状结构附着到管道表面并形成了对钢铁的一种防护屏障。对于停用热力系统，可以通过提升冷却水氨水含量，使凝结水pH值达到10以上，在碱性条件下烘干设备，在设备表面形成一层致密磁性氧化物膜，有效防止设备表面生锈。

锅炉保养的氨水碱化烘干法具体实施

（1）在汽包锅炉停止运行前的4小时，停止向炉水中添加磷酸盐和氢氧化钠。

（2）使用AVT（O）机组作为供水系统，在停止运行前的4小时，开启旁通冷却水精脱盐装置，增加凝结水泵出水口的注氨量，使其达到pH到9.6～10.5，然后关闭机器。如果凝结水泵出水口的氨添加不达标，可以启用给水泵进口的氨添加泵来补充氨。依据发电机的停运时长设定停机之前的pH值，若停机时间较长，则pH值应取高值。

（3）针对邹县发电厂蒸汽热力设备，需要在汽包压力降低至约为0.6兆帕至1.6兆帕之间时，应立即释放所有剩余的水分；在锅炉排水完毕后，应该启动凝汽器真空系统，通过启用一级和二级旁路来对过热器和再热器进行4小时到6小时的真空抽取。

实施注意事项

（1）在停炉期间，需要定期检测凝结水的pH值和电导率。

（2）在确保金属壁温度差不超过锅炉制造商规定的范围内，尽可能提高排水压力和温度。

成膜胺法

成膜胺法原理

成膜胺法采用十八胺停运保护剂，主要成分包括氨基和十八烷基，其中氨基所含氮原子具有较强负电性，对铁原子具有很强的亲合作用，十八烷基有憎水性的特征。由于十八胺的独特性质，极易被金属表面吸附，同时在金属表面形成一层致密的憎水保护膜。这层薄膜就能有效阻止湿气进入到金属器件里，从而避免了金属受到不同程度的侵害。

锅炉保养的成膜胺法

针对邹县发电厂蒸汽热力设备采取的成膜胺法保护方式：在熄火前的4小时内，暂停添加磷酸盐与氢氧化钠到炉水中，同时也中止使用联氨加入量。当热力设备腔内压力下降至2～3兆帕时，降低汽包水位至最低允许水位。从热力设备入口注入成膜胺，开启过热器的空气排出阀，使成膜胺完全覆盖过热器。热力设备关闭运行之后，清除炉内积水，利用剩余的热能烘干热力设备。

充氮法

充氮法原理

充氮保护是为了阻隔空气。关于锅炉的充氮保护，有两种主要保护方式：

（1）氮气覆盖保护：向停用设备注入氮气，利用氮气覆盖蒸汽空间。当锅炉压力下降至0.5兆帕时，开始向锅炉充氮气，并维持氮气压力在0.03～0.05兆帕，实现氮气的覆盖保护。

（2）氮气密封保护：当锅炉停止运作时，需要释放水分，利用氮气来封闭水汽空间。当锅炉的压力下降到0. 5兆帕时，开始向锅炉注入氮气并排出水分，在这个排水和保护的过程中，维持氮气压力在0. 01至0. 03兆帕之间。

短期停炉充氮方法

机组停机前4小时，停止磷酸盐和氢氧化钠供应，同时停止给水供氧，增加凝结水出口的氨量，以使给水的pH值维持在9.4～9.6。

锅炉停炉后当过热器出口压力降至0.5兆帕时，应立即封闭所有的蒸汽排放口、排水阀及通风孔，同时开启锅炉的热交换部分的充氮装置以注入氮气。在此期间，需要确保氮气的压力稳定在0.03～0.05兆帕之间，以便于锅炉的降温与保温处理。

AVT（R）给水工艺机组的长期停炉充氮方法

（1）在停机前的6到8小时，应该禁止向汽包锅炉中添加磷酸盐和氢氧化钠。

（2）当锅炉停止工作时，应保持凝结水泵和给水泵处于工作状态，增加对凝结水的联氨添加剂的使用量，以确保联氨浓度为0.5到10毫克/升之间，pH值应调整到9.6～10.5。

（3）在锅炉的汽包压力下降到4兆帕后，通过使用炉水磷酸盐加药系统向炉水中添加浓度较高的联氨，以确保炉水中的联氨浓度能够达到5到10毫克/升。

（4）当锅炉的压力下降到0.5兆帕，关闭所有与受热面相连接的疏水门、放水门和空气门。然后打开充氮阀门并注入氮气，在此过程中保持氮气压力在0.03～ 0.05兆帕之间。

充氮法监督和注意事项

（1）氮气的纯度应当高于99.5%，最低不得低于98%。

（2）在进行氮气保护的过程中，应该定期测量氮气的压力、纯度以及水质。

（3）为设备安装专门的氮气充装系统，并提供充足的氮气。锅炉受热面应设置多处氮气充装口，充氮管道的内径一般不得小于20毫米，适宜选用不锈钢材料制作。

（4）调整氮气系统减压阀出口压力至0.5兆帕，当锅炉气压下降至此值以下时，氮气应自动注入。

（5）设备修复完成之后，应该再次进行氮气保护。

结论

邹县发电厂开展了停备的防锈蚀方法研究，采用氨水碱化烘干法、成膜胺法、充氮法等方法防锈。应用效果表明，该3种方法能够有效控制设备表面锈蚀，解决了设备停止或备用状态的锈蚀严重问题。