660MW机组锅炉后屏过热器高温腐蚀情况介绍及原因分析

660MW机组锅炉后屏过热器高温腐蚀情况介绍及原因分析摘要：当前煤碳市场形势严峻，煤质变化频繁，远远偏离设计煤种，且目前配煤掺烧方式已成为目前燃煤火力发电厂控制入炉煤标单的主要控制手段，燃用中、高硫煤成为燃煤火力发电厂发展趋势。大量的中、高硫煤掺配必然会导致电站锅炉高温腐蚀情况产生，大多数的高温腐蚀多存在于锅炉燃烧器区域水冷壁高温区，水平烟道过热器高温腐蚀比较少见。本次对电站锅炉水平烟道后屏过热器高温腐蚀进行了简单介绍，通过探究其腐蚀原因确定处理方法，以此对同类型锅炉提供一定的技术参考。

关键词：后屏过热器；复合硫酸盐；高温腐蚀；碱金属

一、引言

某公司3、4号机组为2×660MW超超临界机组，其中锅炉为上海锅炉厂有限公司生产的超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、Π型半露天布置、固态排渣、全钢架悬吊结构。由于当前煤碳市场形势严峻，煤质变化频繁，远远偏离设计煤种。且目前配煤掺烧方式成为目前燃煤火力发电厂控制入炉煤标单的主要控制手段，考虑到整体经济性需采购部分中硫煤、高硫煤。

本次介绍的后屏过热器布置于炉膛折焰角的前方，标高58.95米，共20片，沿炉膛宽度均布，每片屏有22根管子组成，总计有440根管子。管子规格为Φ54*10.5、Φ47.6×7、Φ47.6×6.5、Φ47.6×6，材质SA-213Super304HSB。最近一次检查时间为2018.09月4号机组A级检修；4号机组累计运行时间68171h,2018年09月4号机组A级检修后机组累计运行时间9289h。

二、高温腐蚀情况介绍

锅炉受热面检查期间发现后屏过热器管壁明显减薄，经检查发现减薄位置主要集中在后屏过热器下部水平管段左侧，右侧减薄程度轻微，锅炉顺时针方向切向燃烧后屏过热器左侧为迎烟气面。通过现场检查发现减薄区域管壁黏附薄渣层，管壁表面粗糙不平整，有斑点状腐蚀痕迹，可以排除磨损原因导致的减薄。

通过对后屏过热器变薄管壁进行厚度测量，通过统计分析并对比上海锅炉厂提供的《锅炉受热面管子及强度计算书》其中47根管已经低于安全运行最小理论壁厚（标红部分），72根管处于临界值（标黄部分）。

三、高温腐蚀机理介绍

锅炉投运后，在运行过程中，炉内高温受热面管子表层会生成一层铁锈(主要成分是Fe2O3)，同时形成粘附极细灰粒的粘污层，二者的厚度是很小的，其实际作用是金属的保护膜，对管材具有一定的保护作用。然而在炉内火焰的高温下，煤中的碱金属(如Na，K等)易挥发，与烟气中的SO3反应，生成碱金属硫酸盐(Na2SO4或K2SO4)，其粘附在受热面管壁上。碱金属硫酸盐具有粘性，熔点低的特点。随着运行时间的增加，硫酸盐层厚度增加，热阻增大，受热面管子内工质及烟气的换热效果变差，管子壁温升高，达到一定温度后，碱金属硫酸盐开始发粘、熔化并粘结飞灰，逐渐形成疏松的渣层。渣层的形成，使高温腐蚀的发生具备了基础条件，由于渣层的存在，管壁温度会不断上升，更多的碱金属硫酸盐熔化，并粘结更多的飞灰，使渣层更厚。在碱金属硫酸盐熔化时会放出SO3，所放出的SO3及烟气中的SO3会通过疏松的渣层向内扩散，与金属表面氧化膜中的Fe2O3和熔融的硫酸盐M2SO4(M代表Na、K等碱金属)发生反应，生成复合硫酸盐(Na?K)(Fe?Al)SO4，破坏了管壁表面的氧化膜。随着复合硫酸盐的沉积，其熔点降低，当壁温高于其熔点时，复合硫酸盐熔化，使管材进一步氧化而使金属耗损。碱金属硫酸盐的循环作用使腐蚀不断进行。在运行过程中，受热面管壁的渣层因过厚脱落和人工清灰，使粘附在管材表面的复合硫酸盐等暴露在高温腐蚀下，复合硫酸盐会分解，出现新的碱金属硫酸盐层，在

SO3的作用下，不断使管壁受到腐蚀。

此外，当烟气气氛中SO3的含量较高时，会生成焦硫酸盐。焦硫酸盐熔点更低，更容易与管材表面的Fe2O3发生反应，生成M3Fe(SO4)3，形成腐蚀反应速度更快的熔盐型腐蚀。

经检查确认发现减薄区域管壁黏附薄渣层，管壁表面粗糙不平整，有斑点状腐蚀痕迹，可以排除磨损原因导致的减薄。因其腐蚀表面具有碱焦硫酸盐的熔盐高温腐蚀特征，判定为硫酸盐的熔盐腐蚀造成。

这种腐蚀形态具有碱焦硫酸盐的熔盐高温腐蚀特征，主要是由硫酸盐的熔盐腐蚀造成。根据高温腐蚀的机理，当燃煤中含有较多的硫及灰分中有较多的碱金属氧化物（Na2O或K2O）时，在高温火焰中这些碱类物质升华，其蒸气在管壁表面凝结，与烟气中的SO3在适当的壁温下化合成瓷釉状的碱金属硫酸盐（Na2SO4或K2SO4），进而与壁面的Fe2O3反应生成复合硫酸盐Na3Fe(SO4)3或K3Fe(SO4)3，化学反应方程式为：

3Na2SO4+Fe2O3+3SO3=2Na3Fe(SO4)3

3K2SO4+Fe2O3+3SO3=2K3Fe(SO4)3

后屏过热器水平段区域烟气及管壁温度恰好满足上述反应窗口温度，导致管壁不断受到腐蚀而变薄。

四、高温腐蚀原因分析

4.1运行原因分析：2019年开始该公司3、4号机组开始掺烧一期石子煤，石子煤硫份较高；经过查询历史曲线，自2017年至今，脱硫系统进口烟气中SO2浓度平均值由2100mg/Nm3升至2400mg/Nm3，有明显上升趋势，且2019年SO2浓度最大达到2800mg/Nm3，表明燃煤中硫份自2017年以来逐步升高。同时，2019年空预器堵塞得到有效治理，锅炉高负荷运行缺风问题得以消除，炉膛氧量升高，SO3转化率进一步提高，加剧后屏高温腐蚀。

4.2煤质原因分析：对供煤商来煤存样进行灰成分分析以甄别碱金属含量高的煤种，最终筛选出6种供应商来煤及石子煤共计7种煤样分别送至两家煤炭质量监督检验中心进行了煤灰中碱金属分析，分析结果如下：

7种样品煤灰碱金属、原煤灰分、硫分等分析情况如下：

表1样品煤灰碱金属等分析结果（中心1）

注：石子煤缺灰分、硫分数据，以上两表中灰分为保守估计值。

依据MT/T1074-2008《煤中碱金属（钾、钠）含量分级》，煤中碱金属含量大于0.5%为高碱煤，两处检验结果均表明：M20-078（汽运中高硫)、M20-080火运煤、M20-083(汽运中高硫)为高碱煤，石子煤因灰分很高，碱金属含量最高。

依据GB/T15224.2-2010《煤炭质量分级第2部分：硫分》，动力煤干燥基全硫>3%为高硫煤，1.51～3%之间为中高硫煤，：M20-078(汽运中高硫)同时为中高硫煤，M20-083(汽运中高硫)同时为高硫煤，M20-080火运煤为中硫煤。原煤碱金属、硫分含量偏高是发生复合硫酸盐高温腐蚀的重要基础。

综合以上分析结果表明掺烧煤种中存在高碱煤，印证了后屏过热器减薄为复合硫酸盐高温腐蚀造成。

五、高温腐蚀处理方法

（1）将入炉煤中碱金属含量高的M20-078(汽运中高硫)、M20-083(汽运中高硫)、M20-080火运煤来煤停止供应。

（2）配煤掺烧时对碱金属含量较高、硫分含量较高的煤种应进一步降低掺配比例，停止石子煤掺配或大幅降低掺配比例。

（3）进一步扩大供应商来煤甄别范围，新进煤种应进行全面的煤灰成分分析，确认不存在高碱金属等问题后再进行供应。

（4）更换后屏过热器腐蚀严重的管段，评估轻微区域腐蚀速率，对无法维持到下次检修期的管段予