2024燃煤机组锅炉水冷壁高温腐蚀防治技术导则

燃煤机组锅炉水冷壁高温腐蚀防治技术导则目次TOC\o"1-2"\h\u前  言 2燃煤机组锅炉水冷壁高温腐蚀防治技术导则 11范围 12规范性引用文件 13术语和定义 14水冷壁高温腐蚀防治技术条件 25水冷壁高温腐蚀防治技术方案 36水冷壁高温腐蚀后评估方法 5附录A（规范性附录）燃煤机组锅炉水冷壁高温腐蚀防治能力评估主要参数 8燃煤机组锅炉水冷壁高温腐蚀防治技术导则范围本文件规定了燃煤锅炉水冷壁高温腐蚀防治技术，包括防治的边界条件、技术方案以及治理后的评价方法。本文件适用范围如下：a）燃烧褐煤、烟煤、无烟煤，以及掺烧其它燃料的燃煤锅炉；b）蒸汽流量不低于35t/h，压力不低于3.8MPa，温度不低于440℃的燃煤锅炉；规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T5310高压锅炉用无缝钢管.GB/T8923涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级GB/T9793热喷涂金属和其他无机覆盖层锌、铝及其合金GB/T10184电站锅炉性能试验规程GB/T11373热喷涂金属零部件表面的预处理.GB/T11374热喷涂涂层厚度的无损测量方法GB/T19823热喷涂工程零件热喷涂涂层的应用步骤.GB/T19824热喷涂热喷涂操作人员考核要求GB/T20019热喷涂热喷涂设备的验收检查GB/T20409高压锅炉用内螺纹无缝钢管.GB/T29037热喷涂抗高温腐蚀和氧化的保护涂层.GB/T37421热喷涂热喷涂涂层的表征和试验.GB/T37654再制造电弧喷涂技术规范.GB/T39530热喷涂纳米氧化锆粉末及涂层制备工艺技术条件.AQ5211电弧热喷涂设备安全技术条件.DL/T438火力发电厂金属技术监督规程.DL/T465煤的冲刷磨损指数试验方法.DL/T715火力发电厂金属材料选用导则.DL/T939火力发电厂锅炉受热面管监督检验技术导则.DL/T1160电站锅炉受热面电弧喷涂施工及验收规范DL/T5121火力发电厂烟风煤粉管道设计规范DL/T5240火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程.JB/T1611锅炉管子制造技术条件.JB/T6973热喷涂操作人员考核要求JB/T7703热喷涂陶瓷涂层技术条件YS/T1128热喷涂用NiCoCrAlYTa合金粉末.ISO12679热喷涂.热喷涂推荐性操作规程.ISO26146金属和合金腐蚀.暴露在高温腐蚀环境后的样品金相检验方法.术语和定义下列术语和定义适用于本文件。高温腐蚀Hightemperaturecorrosion金属材料在高温下与环境介质发生不可逆转的化学反应，导致金属的变质或破坏的过程,对于燃煤锅炉特指水冷壁、过热器等高温受热面,在高温烟气环境下,管外壁产生的腐蚀。还原性气氛Reductiveatmosphere混合气体中氧含量小于一定范围，且一氧化碳、硫化氢等含量大于一定范围的气体(烟气)氛围。CO浓度COconcentration烟气中CO气体的体积分数，单位为“%”。H2S浓度H2Sconcentration烟气中H2S气体的体积分数，单位为“%”。O2浓度OperatingO2concentration烟气中O2气体的体积分数，单位为“%”。煤粉细度Pulverizedcoalfineness把一定量的煤粉放在筛孔尺寸为xμm的标准筛上进行筛分、称重,煤粉在筛上的剩余量占总量的百分数定义为煤粉的细度，一般指留在90微米筛网上的煤粉比例，即R90，单位为“%”。冲刷磨损指数Impingementabrasionindexofcoal煤的冲刷磨损指数用来判断煤在被金属磨件破碎时，煤对金属磨件的磨损程度。其数值越大，表示对金属磨件的磨损性越强。水冷壁高温腐蚀边界条件高温腐蚀分类煤灰型高温腐蚀煤灰型高温腐蚀指高温煤灰与管壁表面的金属氧化物发生反应导致的腐蚀。主要包括：（1）煤灰与管壁表面金属氧化物反应生成低熔点复合盐腐蚀金属；（2）煤灰在管壁表面结渣，从而引起恶化传热使管外壁温度升高，发生硫酸盐型热腐蚀。硫酸盐型高温腐蚀硫酸盐型高温腐蚀指硫元素与管壁表面的金属氧化物，以及煤燃烧的产物碱金属及其氧化物发生反应导致的腐蚀。主要包括：（1）在附着层中碱金属硫酸盐参与作用的气体腐蚀，即受热面上熔融的硫酸盐吸收SO3，并在Fe2O3或Al2O3的作用下，生成复合硫酸盐（Na,K）(Fe,Al)(SO4)3；（2）碱金属的焦硫酸熔盐腐蚀。焦硫酸盐与金属表面的氧化物反应生成相应的硫酸盐，而硫酸盐在该温度范围内分解为不具有保护性的金属氧化物，外露金属进一步氧化导致腐蚀加速。硫化物型高温腐蚀硫化物型高温腐蚀指烟气中游离态的硫及硫化氢，在还原性气氛中与管壁表面发生反应导致的腐蚀。主要是原子硫或硫化氢在管壁表面沿晶界扩散穿过氧化层与基体反应生成硫化亚铁，生成的硫化亚铁同时被氧化(3FeS+2O2→Fe3O4+3S)，释放出原子硫使反应不断进行。氯化物型高温腐蚀氯化盐腐蚀指煤中的氯元素在燃烧后产生的氯化物与管壁及其表面的金属氧化物发生反应导致的腐蚀。主要是氯元素在燃烧过程中生成氯化氢，氯化氢与管壁基体铁及其氧化物均可发生反应。还原性气氛引起的高温腐蚀还原性气氛引起的高温腐蚀指煤粉燃烧时由于局部缺氧而不能完全燃烧，形成的还原性气体与管壁表面的金属氧化物发生反应导致的腐蚀。主要是由于局部缺氧燃形成还原性气氛，生成的一氧化碳、硫化氢等还原性气体与管壁表面的金属氧化物发生反应，使金属表面保护膜受到腐蚀。碱土金属和钒盐型高温腐蚀原煤中的碱土金属、钒盐反应形成的熔融碱性硫酸盐和钠钒类低熔点共熔体，粘结飞灰后产生腐蚀性很强的氧原子造成的高温腐蚀。渗碳型高温腐蚀渗碳型高温腐蚀指碳元素在管壁表面氧化物保护膜受到破坏时，沿缝隙扩散进入基体表面，与管壁发生反应导致的腐蚀。主要包括：（1）内部渗碳，在管壁表面金属氧化受到破坏时，碳元素渗透进入基体，与基体发生反应，破坏其组织形态与物理特性。（2）金属粉化，在满足高温和高碳活度条件时，发生的金属粉末化，成分包含金属、碳化物和石墨等。高温腐蚀的边界条件煤质特性煤质对高温腐蚀的影响表现为煤中的硫元素、碱土金属元素与管壁基体及其表面的氧化物反应而发生腐蚀。煤质硫含量St,ar＞0.7%或St,d＞0.8%，且采用低氮燃烧方式，易发生高温腐蚀。煤质氯含量Cl＞0.3%，易发生与氯相关的高温腐蚀。管壁温度管壁温度对高温腐蚀的影响表现为随着管壁温度（一般当管壁温度在450℃以上时）的不断升高，壁面温度对腐蚀的影响将呈指数关系，管壁基体及其表面的氧化物与烟气中腐蚀性成分的反应速率不断加快而发生腐蚀。管壁温度越高，对发生腐蚀的影响作用越显著。烟气成分烟气成分对高温腐蚀的影响表现为煤在锅炉炉膛内缺氧燃烧时生成大量硫化氢、一氧化碳、氯化氢等还原性气体，与管壁基体及其表面的氧化物反应而发生腐蚀。水冷壁附近烟气中氧含量O2＜1%且CO＞0.5%时，易发生与还原性气氛相关的高温腐蚀。水冷壁附近烟气中硫化氢含量H2S＞0.01%时，易发生与还原性气氛相关的高温腐蚀。烟气冲刷与磨损烟气冲刷与磨损对高温腐蚀的影响表现为当煤灰或煤粉的冲刷磨损指数倾向中等以上时，大量煤粉粗颗粒冲刷受热面破坏管壁基体表面的金属氧化物保护膜，使烟气更易直接与管壁基体接触，加快腐蚀速率。煤粉细度越粗，对管壁的冲刷作用越大，对发生腐蚀的影响作用越显著。水冷壁高温腐蚀防治技术方案壁面气氛监测烟气中的CO浓度与H2S浓度直接反映了炉内缺氧状况和助燃空气与煤粉的混合情况。烟气中CO浓度越大，高温腐蚀就越严重；而当H2S的浓度大于0.01%时，烟气会对钢材产生强烈的腐蚀作用；由于烟气中的CO与H2S具有一定的相关性，且CO较H2S更容易实现在线的监控，因此通过监测近壁面烟气中的CO浓度来实现壁面气氛的监测。壁面气氛监测中对烟气的取样和分析的一般要求如下：a）烟气取样位置一般在锅炉主燃烧器至燃尽风区域的四面水冷壁上，沿宽度和深度方向均匀布置，相邻取样位置间隔为1.5~2米；b）取样点位置应避开燃烧器喷口（附近0.5米范围内），以及考虑到支撑梁等对取样管安装的影响；c）取样点位置的设置应按照网格法布置，并尽可能保持分布均匀，以提高烟气成分监测的全面性、准确性。取样管及连接管的材料要求参考（GB/T-10184）中对烟气取样和分析中的取样管及连接管要求。锅炉燃烧优化调整（改善水冷壁壁面气氛）氧量调整锅炉的运行氧量直接影响炉内燃烧的烟气成分。为改善水冷壁壁面气氛，应适当提高锅炉运行氧量，使主燃烧器区的O2浓度＞1.0%。配风方式调整配风方式调整通过改变燃料的燃烧特性，从而影响烟气成分与水冷壁壁面气氛。为改善燃烧特性及水冷壁壁面气氛，锅炉应针对性的在主燃烧区与还原区进行二次风的有效匹配，通过提高二次风刚性、适当提高二次风量、降低一次风速等措施，使燃料与空气有效混合，燃烧特性同时满足低NOx与水冷壁气氛的控制要求。对冲锅炉还应增大靠两侧墙燃烧器的外二次风门开度，减小其旋流强度，使外二次风尽可能起到保护两侧墙避免发生高温腐蚀的作用。燃尽风调整燃尽风调整通过改变主燃区与还原区的空气量分配，从而影响烟气成分与水冷壁壁面气氛。为改善水冷壁壁面气氛，应在保证氮氧化物NOx排放水平不超标的前提下，尽量减小燃尽风量。一次风调整一次风调整通过改变燃料的燃烧特性，从而影响烟气成分与水冷壁壁面气氛。为改善燃烧特性及水冷壁壁面气氛，燃烧器的一次风速不宜过低或过高，因根据实际煤质的不同，保持在22-28m/s的范围内。同时，还应保证一次风的入射角度，避免出现一次风对水冷壁的刷墙现象。煤粉细度调整煤粉细度调整直接影响煤粉的燃尽特性，为改善水冷壁壁面气氛，应结合实际煤质，在保证制粉系统出力等条件下，尽量降低煤粉细度，以促进燃料快速着火，避免发生水冷壁近壁燃烧导致水冷壁结焦、腐蚀和超温。燃烧器负荷分配燃烧器的热负荷分布对炉膛内水冷壁管壁温度有直接影响。热负荷越集中，对应区域的管壁温度越高，对发生腐蚀的影响作用越显著。为改善管壁温度条件，应尽可能在不同负荷下，使投入运行的磨煤机出力接近，同时磨煤机对应的燃烧器也应在锅炉炉膛内均匀分布。入炉煤质掺配煤中的硫、氯等元素是引起水冷壁高温腐蚀的主要原因，控制入炉煤燃料中的硫、氯等元素含量，能够有效较低水冷壁腐蚀速率。为改善水冷壁壁面气氛，因进行合理的配煤掺烧，使入炉煤中的硫含量St,d＜0.8%，氯含量Cl＜0.3%。对于硫分含量差异大的不同煤种，应采用预混掺烧方式。锅炉贴壁风改造前后墙对冲锅炉前后墙对冲锅炉的燃烧器形式一般为旋流燃烧器，水冷壁高温腐蚀一般发生在两侧墙区域。贴壁风的布置方式可以包括：（1）侧墙布置贴壁型。在侧墙高温腐蚀较为严重的水冷壁区域设置贴壁风，贴壁风喷口可沿锅炉深度、高度方向均匀布置，贴壁风入射方向垂直于锅炉前、后墙，射流在侧墙水冷壁表面形成空气膜。（2）前后墙布置射流型。在前后墙位置，水冷壁上游靠近侧墙区域设置贴壁风，贴壁风喷口沿锅炉高度方向均匀布置，贴壁风入射方向垂直于锅炉前、后墙，射流与烟气混合，改善烟气还原性成分，同时在侧墙水冷壁表面形成空气膜。（3）全墙组合布置方式：在高温腐蚀严重的机组锅炉上，可根据实际情况，在锅炉的前后墙和两侧墙同时布置贴壁风喷口，向两侧墙水冷壁近壁区补充空气，形成覆盖面更广的空气膜。四角（墙）切圆锅炉四角切圆锅炉的燃烧器形式一般为直流燃烧器，水冷壁高温腐蚀会发生在四面墙的各个区域。贴壁风的布置方式可以包括：（1）贴壁型。在各墙高温腐蚀较为严重的水冷壁区域设置贴壁风，贴壁风喷口可沿锅炉深度、高度方向均匀布置，贴壁风入射方向与水冷壁平行，射流在侧墙水冷壁表面形成空气膜。（2）射流型。在各个角二次风喷口内设置贴壁风喷口，贴壁风喷口可沿锅炉高度方向根据实际腐蚀区域布置，贴壁风入射方向与水冷壁平行，射流与烟气混合，改善烟气还原性成分，同时在侧墙水冷壁表面形成空气膜。W火焰锅炉W火焰锅炉燃烧器形式既有直流燃烧器，也有旋流燃烧器，锅炉的整体燃烧布置方式、燃烧特性等与前后墙对冲锅炉具有一定的类似性，水冷壁高温腐蚀一般多发生在两侧墙区域，因此其贴壁风的布置方式可参考前后墙对冲锅炉进行。锅炉燃烧器改造原燃烧器适应性改造针对前后墙对冲燃烧锅炉，在不实施燃烧器改造的情况下，为减轻前后墙对冲锅炉的侧墙高温腐蚀，对于靠近侧墙的旋流燃烧器，可适当进行燃烧器喷射角度调整：靠侧墙最近的燃烧器喷射角度向炉膛中心水平偏转5~10°，紧挨的第二个燃烧器喷射角度向内偏转3~5°。侧墙氧化气氛旋流燃烧器针对前后墙对冲燃烧锅炉，可实施锅炉燃烧器改造。把靠近侧墙的燃烧器改造成为氧化性气氛旋流燃烧器，通过重新设计的二次风量与旋流强度调节装置，适当增加二次风开度与旋流强度等措施，二次风尽早与一次风混合，使得靠近侧墙的气流为偏氧化性的气氛，降低了气流中的H2S浓度。此外，靠近中部的燃烧器燃烧生成的H2S随气流向侧墙扩散时需经过靠侧墙的氧化性气流，此时H2S就会被氧化，使贴近侧墙的H2S浓度降低，从而避免H2S的高温腐蚀。锅炉水冷壁防腐蚀喷涂采用表面工程技术对水冷壁管表面进行改性强化处理，就能够起到减缓水冷壁高温腐蚀速率的效果。已逐渐发展出已逐渐发展出堆焊涂层、渗铝涂层、纳米陶瓷涂层、热喷涂涂层等多种表面涂层防护技术，相应的防腐蚀喷涂技术如下。超音速火焰喷涂利用可燃气体（氢气、丙烷等）或液体（煤油等）与氧气混合，在燃烧室内点燃并连续燃烧，剧烈膨胀的气体通过喷嘴形成超音速高温火焰流，喷涂用的粉末材料由惰性气体送入燃烧室，经加短时加热熔融后随焰流喷出高速撞击至基材表面。特点：热源温度低（火焰温度一般不超3000°）、气流速度快、喷涂效率高，由于加热时间短，喷涂材料的相变、氧化和分解收到抑制，适合于碳化物和硼化物等金属陶瓷材料，涂层质量优越，结合强度可高达70MPa以上，孔隙率可小于1%。超音速等离子喷涂借助氩气和氢气通过喷嘴产生扩展型等离子弧，利用扩展弧加热气体得到超音速等离子火焰，将喷涂用的粉末材料加热融化后随气流高速喷出至基材表面。特点：等离子弧喷涂功率高，气流速度快，喷涂效率极高；等离子弧不发散、热焓高，产生的涂层质量高，非常适合于高熔点陶瓷材料的喷涂。相比火焰喷涂，等离子焰流温度高，能量集中，可喷涂一切高熔点高硬度的粉末，喷涂材选择广；粒子飞行速度快，获得的涂层组织更为致密，结合强度及沉积率较高；基体受影响小，尺寸和性能一般不生变化；喷涂粉末氧化程度小，所制备涂层内部杂质少。超音速电弧喷涂利用产生于两根丝材之间的电弧，与压缩空气燃烧产生的高温焰流中融化丝材，通过喷嘴产生的超音速气流，将丝材雾化为颗粒粉末，喷射至基材表面。特点：喷涂效率高、成本低、操作简单、易于现场实施，相对传统电弧喷涂，由于超音速气流的雾化、加速作用，粒子细小、均匀而且速度高，涂层的结合强度和内聚强度高，涂层孔隙率低，粒子在空中停留时间短，层氧化物含量低。冷喷涂气体首先经过加压和预热后，通过喷嘴产生超音速气流，直接将喷涂用的粉末材料以固态形式喷射至基材表面形成涂层。冷喷涂技术是一种低温固态沉积技术，其原理是将一定温度的压缩气体注入拉瓦尔喷管形成超音速喷涂气流，进而通过气动力将送入喷涂气流的粉末颗粒加速后使其高速撞击基材产生塑性变形，与基材形成固相连接从而实现固态沉积。特点：可减小或消除热喷涂过程中产生的高温氧化、蒸发、溶解、结晶、残余应力气体释放等问题，但存在涂层孔隙率高、喷涂粒子尺寸要求严、能耗大以及不易与其他喷涂对接的缺点。其低温特性使得金属材料在喷涂过程中受到的热影响小，能够避免材料产生氧化、相变或晶化等问题，沉积体孔隙率极低。热固化反应陶瓷涂层以水基悬浮浆料为原料（含分散剂、粘结剂以及多种陶瓷颗粒）采用0.3-0.6MPa的压缩空气雾化后，均匀涂覆于经喷砂预处理过的管子表面，经室温阴干和启炉加热固化，最终在基材表面形成厚约0.3-0.5mm的陶瓷涂层。特点：涂层具有耐磨、耐高温腐蚀特性，同时能增加受热面的光洁度，兼具抗沾污结渣功能。由于原料配方可调整空间大、陶瓷与金属之间热物理性能差异大，存在结合强度低、易脱落等问题。冶金熔覆涂层采用氧乙炔火焰、电弧、等离子弧或激光等作为热源，将堆焊材料熔覆后覆盖在基体表面形成的涂层。堆焊材料可为复合粉芯丝材、实心焊丝、药芯焊丝以及各种粉末。特点：涂层与基材结合形成冶金机械，有效降低孔隙率，涂层耐磨、抗腐蚀防护性能比热喷涂层有显著提高。但火焰堆焊热输入量大，施工效率低，在水冷壁表面施工易对水冷壁管子产生影响、甚至变形；此外，类似激光熔覆设备体积大，效率低，投资费用高。石墨烯涂层以少层石墨烯为主要原料，将石墨烯连同其它功能粉料通过超声波、微波、剪切力等手段均匀分散在水性高温黏结剂中形成水性浆料，采用压缩空气雾化分多遍喷涂于金属基材表面，在一定温度和时间条件下形成致密的石墨烯涂层。特点：石墨烯属纳米薄片状材料，在涂层内部形成腐蚀屏蔽网络俗称“迷宫效应”，使得涂层具有强的耐腐蚀性能、良好的导热传热性能以及抗粘附功能；多道喷涂工艺使得基材表面形成梯度涂层结构，避免了热膨胀不匹配性，提高了涂层的温度交变可靠性与使用寿命。纳米陶瓷涂层纳米陶瓷涂料主要由无机粘结剂、各种功能性填料、助剂和去离子水等组成，通过喷枪把涂料喷在受热面管材表面，涂层在炉膛中发生热固化反应，形成光滑、致密、坚硬的陶瓷涂层。特点：纳米陶瓷涂层防护技术在锅炉受热面的防腐应用上取得了一定的效果，但在锅炉燃烧时会存在涂层与基材结合强度低、易剥落失效、抗磨损能力差等问题.水冷壁高温腐蚀治理后评估水冷壁壁面烟气成分采用锅炉燃烧优化调整、贴壁风及燃烧器改造等措施治理后，水冷壁近壁面烟气成分应满足下表要求：项目单位数值O2%≮1H2S%≯0.01CO%≯0.5采用锅炉水冷壁防腐蚀喷涂治理后，水冷壁管子应保证在一定的检修周期内运行安全稳定（具体时间可由电厂招标时的技术协议规定）。水冷壁管子厚度、化学成分、机械性能、金相组织应满足相关标准与材料设计性能要求。注：规定时间为“一定的检修周期”是考虑到采用的工艺，涂层特