燃气-蒸汽联合循环余热锅炉中FAC的危害及其防止

余 热 锅 炉 2 0 1 2 4 燃气一 蒸汽联合循环余热锅炉中F AC的 危害及其防止 杭州锅炉集团股份有限公司陆成范玲萍史跃岗 摘要 流动加速腐蚀 ( F A C )是易发生在 电厂锅炉强还原环境下的紊流区 的一种现象， 本文针对这个 问题， 对其机理进行 了探讨， 分析 了工质 温度、P H值、 含氧量、 流速、 流通截面形状 以及管材合金含量和腐蚀速率的关系， 结合联合循环 余热锅炉的结构特点及特有的运行模式提出了防止两相流 F A C的措施。 关键词联合循环 余热锅炉 流动加速腐蚀 两相流 0 前言 管道 中的流动加速腐蚀 ( fl o wa c c e m l a c o n o n ， 以下简称F AC ) 已被认知超过3 0 年了， 这种腐蚀目 前认为只会发生在碳钢系统中， 经 过在诸多电站对 F A C的研究后， 目前其机理已 经得到了公认，F AC容易产生在强还原环境下 的紊流区， 如管道弯头、 三通、 变径处。 世界各地 电厂已经发生了多起由F A C引起的突发性爆 管事故， 造成了人身及设备的严重危害。2 0 0 4 年8 月9日日本关西电力公司美滨原子能发 电站 3号机组的大 口径管道 中 1 4 0 的高温蒸 汽突然冲破管壁喷发而出， 酿成 4人死亡的大 事故， 经济损失超过 l 0亿 日元 ( 约合 7 2亿元 R M B ) ， 经日 本经济产业省事故调查委员会的调 查， 认为是典型的F A C所致。 如果不对其加 以控制 ， 在 适宜条件下， F A C对管壁每年的减薄可达到 0 1 1 0 I l l l n 。 由于大型燃气 蒸汽联合循环机组投运 时间较短，F A C对余热锅炉 ( H R S G ) 系统的 危害还没有显现， 但从 H R S G系统运行条件 看， 其尾部受热面恰恰处在发生 F AC的敏感 区， 鉴于 H R S G受热面检修极其 困难， F A C对 H R S G系统的危害更应引起足够的重视。 1流动加速腐蚀 ( F A c )出现的机理 目前公认的F A C是一种由 于管道中水的 流动加速了碳钢和低合金钢材料腐蚀的形式， 发生 F A C的原因与水的处理方式关系较大。 在还原性全挥发处理的条件下， 钢铁的表面会 形成双层的 O 4 薄膜，F e O , 薄膜是一种常 见的低含氧量的铁氧化物薄膜， 由致密的内伸 F e 3 O 4 层和 多孔、 疏松的 F e 3 o 4 外延层构成。 它 是金属中的铁离子通 过与给水 中含量较低的 氧发生化学反应 在原纯金属表面和水之间形 成的一种稳定的表层 ， 在一般情况下对碳钢表 面具有一定的保护作用， 其反应为 ： 碳钢和水 通过 以下化学反应形成氧化物 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 余 热 锅 炉 2 0 l 2 4 F - 2 H 2 0一 F e 2 + _卜 2 O H+ H 2( 1 ) 下步反应是 ： 3 F + 4 H 2 O F e 3 0 4 - b 4 H 2 ( 2 ) 对 于锅 炉碳钢 材料 的管子， 如 果 内部 工质为水或汽 一 水混合物 时， 则在锅炉运行 过程中， 管子 内部与工质接触表面会生成一 层 F e 3 o 4 保护层， 防止材料氧化或腐蚀。 但如 果 F O 4 溶解于水或汽水混合物 的速度大于 F e 3 0 4 的生成速度， 材料失去 F e 3 0 , 保护， 管子 或管道壁厚迅速变薄， 便发生 F A C失效。F A C 失效机理如图 l 所示。 W a t e r F l o win g A c r o s s Su rf a c e 图1 F A C 失效机理示意图 2影响流动加速腐蚀的因素 F A C是世界性 的一个难题， 影响 F A C这 一 失效的因素主要有 以下几个方面。 2 1水化学 在还原性条件下， 除盐水和中性水或弱 碱性水中会产生一个很大的 F e q O 4 溶解速率。 若 P H值大 ( 9 6 - 1 0 0 a t 2 5 ) ，F A C的速率将 大大减小， 如果水中再含有氧的话， 速率会降 低到最小值。 在 电厂中经常发现 ，F A C的发生 依赖于环境 因素 ： 在联氨或其它还原剂存在 时的氧化一还原电位、P H值、 氢和氧的含量、 水种杂质浓度、 温度。 水化学 中氧化一还原电 位、P H值、 溶解氧 的含量是影响氧化层稳定 性和可溶性的重要参量。 一般来说， 高的 P H值 将减小 F A C的损耗量， P H值增加 9 2以上 ( 室 温下测量)使速率降低一个数量级。 水中的杂 质的影响 ： 如果杂质能与钢或者腐蚀产物 ( 铁 离子和 F e l O n )反应的话， 杂质就能影响 F A C 。 杂质有 ： 氢、 铁离子、 氧、 金属杂质、 其它杂质。 氢和铁离子的影响可由一些方程来具体讨论。 氧可促进 F 0 2 0 3 在氧化物 ， 水界面和氧化物孔 洞中生成， 也可使 F e O 4 向 F e 2 0 3 转变， 并且由 于 F e 2 0 3 的溶解度 比F 0 3 0 4 小几个数量级， 所 以会降低 F A C的速率。 金属杂质对 F A C的影 响较小， 但是、 镍离子、 钼离子、 铅离子能影响 到 F A C的速率 ， 其它杂质系统研究比较少。 2 2流体 力学 F A C发生在有流动 的水和湿 蒸汽的地 方， 金属表面附近的湍流会增加 F AC的速率， 在干蒸汽条件下未观察到 F A C ， 沿着部件 内壁 必需有一层水膜。 流体方面 的因素主要对质量 交换过程 的速率有影响， 流体因素对 F A C的 影响是比较复杂的， 因为近壁流条件对边界层 里的扩散有很强的影响。 下面讨论流速、 管道 粗糙度、 流径几何、 两相流体中蒸汽质量的影 响。 流速 的影响 ：流体流速增加、 湍流都可 使 F A C的速率加快。 在高温除氧水中， 已经观 察到低合金钢的 F A C对流速 的强烈依赖性， 在相对低的门槛值以上， 氧化速率是流速的线 性函数。 流速对腐蚀现象有两方面的影响 ： 质 量交换效应和表面剪应力效应。F AC速率随 流速或剪应力的变化可分成三个阶段 ： 有质 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 1 2 4 3 量交换控制阶段、 激活能控制阶段、 在突变速 率后的侵蚀阶段等。 管道粗糙度 的影 响 ：管道在制造和使 用 过程 中都会 变得 粗糙 ， 由 F AC造成 的管 道粗糙可能最具破坏性。 当腐蚀过程很活跃 时， 表面会变 成折 痕状， 并且 F A C的速率增 加。A l l e n 教授发现单个缺陷要达到一临界尺 寸 ( 有公式 )后才 能长大， 电厂使用的管道 及附件的表面缺陷尺寸通常大于这一临界尺 寸， 因此电厂中的管道的表面一般都是折痕状 的。P o u l s o n 教授等证实在不同几何条件下， S h ( 舍武德数 ) 和 R e ( 雷诺数 ) 之间是近线性 关系。 其中 s h( 舍武德数 ) 为全部质量传递与 分子扩散引起的质量传递 的比率 ： a z KL 、o =一 D R e ( 雷诺数 ) 为愦I 生 力与摩擦力的比值 ： 一 UL K C = 1 ， 这里， K为传质系数 ( n Y s 1 ，L为特征尺 寸 ( m) ，为运动粘度 ( m 2 s ) ，D为分子扩散 系数，U为平均流速 。 对于粗糙管， 舍武德数比例于雷诺数， 这 样质量交换速率比例于流速。 光管和粗糙管的 情况可通过摩擦因子将两者简单的联系起来， 摩擦因子的增加会使次层流层和扩散边界层 减小， 这样浓度梯度会变大，F e O 的溶解速 率也增加。 对于 “ 完全粗糙湍流 ”的情况， 舍 武德数几乎 比例于流速， 由此 F A C的速率也 几乎比例于流速。 流径几何的影响 ： 部件的尺寸和形状将 直接影响流速和质量交换速率， 一般而言， 若 部件中有能增加速率和湍流的几何条件存在， 则 F A C会更严重。 直管中很少发生 F A C， 但当 本体流速特别高时在直 管中还是会发生的。 F A C最可能在流体扰动部位发生， 如弯头、 弯 管、 渐缩管、 三通、 管道入 口、 流量控制孔板和 阀门的下游等 。 几何增进 因子在 F A C中加强 了湍流的效应 。 蒸汽质量 的影响 ： 相流体中， 空隙组分 可由系统 的压力 ( 或温度 )和质量分数来确 定。 空隙组分的变化会影响质量交换速率和 F A C速率。 由于蒸汽相和水相以不同的速率流 动， 所 以空隙组分和质量分数不相等。 若蒸汽 质量分数大于 0 ， 则只有液相产生 F AC 。 对于 两相流体， 空隙组分值通常大于质量分数值， 这样两相流体中的雷诺数大于单相流体 中的 雷诺数， 且高的雷诺数会有大的质量交换系 数， 进而有大的 F A C速率。 2 3温度范围 F AC出现 的温 度 范 围是 1 0 0 - 3 0 0 ， 在 1 5 0 附近达到峰值。 单相流体或两相流体中， 由于条件变化， 峰值温度会不太一样， 这主要 由下面三种情况决定 ： 小于 1 5 0 时， 温度上 升使得溶解速率加快 ； 大于 1 5 0 C， 温度增加， F e ( O H ) 2 的可溶 性下 降 ：大于 1 5 0 ， 温度升 高， 氢扩散到钢中的能力升高，F A C的速率下 降。 2 4材料 ( F A C 对碳钢材料的影响) 氧化物膜的稳定性和可溶性 由合金材料 的成份和含量 决定。 最有益 的元素是 C r ，C r 含 l 就能使 F A C的速率降低很多， 含量再小 影响也很大。Mo和 C u也有助于减小 F AC的 速率。 合金元素降低 F A C的速率主要是生成 了比F e 0 , 可溶性更小的氧化物f 如 F c C r 2 0 4 ) ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 1 2 4 5 4 低压蒸发器管子 F A g预防措施 ( 1 ) 9 E或 9 F级余热锅炉低压蒸发器第一 个管屏的顶部为弯管结构， 因为 F A C一般出 现在蒸发器管排吸热校较多的部位， 如低压蒸 发器的前几排管子。 因此建议将低压蒸发器前 几排管子顶部区域的管道材料从碳钢改成耐 F A C的合金钢材料， 能较好地抑制 F A C失效。 改变材料时要考虑以下因素 ： 对 F A C和其它 类型腐蚀的耐蚀性 ； 用新材料制造部件的可 行性和费用 ； 连接件焊接程序 的可行性 ； 某 些合金材料要进行焊前和焊后热处理 ； 系统 中有多个部件被替换， 并且容许应力或热膨胀 系数不同于原始材料时， 需要对管系再分析 ； 制造替换部件耗费的时间。 (2 ) 提高低压汽包工质 P H值。 建议将 低压汽包的 P H值尽量提高至 9 4以上， 当 P H 值较低时， 可通过凝结水至低压省煤器前管路 上加氨 ( N -H 3 )使低压汽包的P H值提高。 5 结 语 ( 1 ) 从材料金属元素看， 在工程成本可控 范围内， 将 F AC低温受热面的弯头部分及低 压蒸发器的材质改为低合金钢是从根本上防 止 F A C的最有效措施之一。 ( 2 ) 从工质条件看， 虽然 H R S G的频繁启 停会大大增加金属接触过渡性水质 的时间， ， 但在给水品质满足条件时， 通过提高给水含氧 量和通过加药提 高给水 P H值仍是防止 F AC 的有效措施。 参考文献 1 束 国刚， 薛 飞