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萨维真方案在某电厂高温烟道防腐中的应用

0 引言

我国西南地区部分电厂因燃用当地的高硫煤,机组尾部烟道面临严重的腐蚀问题,严重影响了机组的安全可靠运行。而高温烟道的防腐需要同时兼顾重防腐、耐特高温、抗渗透、柔韧性、耐温骤变、耐应力骤变、高温下的粘结性能等问题,也是目前让工程方和业主们非常头疼的问题[1]。经多方面综合比较,某电厂最终选择了萨维真材料对尾部烟道进行防腐。萨维真材料为美国萨维真公司根据烟气腐蚀介质的特点研发的乙烯基酯纤维内衬材料,有着良好的粘结性、耐热性、耐酸性和与碳钢接近的热膨胀系数。该方案能更好地解决烟气的冲刷和冷凝液的腐蚀,以及消除冷热交变的热应力等烟囱防腐的核心问题。美国萨维真公司研制的衬里技术和材料已有几十年应用业绩,在北美、亚太、中东、东欧等地区多有应用案例,但该技术方案在国内的研究相对较少,在高温尾部烟道防腐中的应用鲜有报道。

1 工程方案

西南地区某电厂机组采用600MW 超临界W 型火焰燃烧、垂直管圈水冷壁变压直流锅炉。锅炉为单炉膛露天岛式布置,一次再热,平衡通风,固态排渣,全钢架结构。煤源为西南地区低挥发分、高硫份(设计煤质、校核煤质收到基硫份分别为3.80%、4.40%)、高灰份无烟煤。机组建设之初同步安装脱硝、脱硫装置。

本工程引风机出口至脱硫吸收塔入口的烟气流通区域尾部烟道钢结构内表面采用萨维真材料进行防腐。萨维真材料结构层底层采用渗透和密封作用好的萨维真NO.440 材料乙烯酯纤维衬里材料对内衬基底进行主动改造,涂层厚度为0.2mm;中间层采用再通过泰邦得VEF 对NO.440 双重覆盖,覆盖针孔,增强纤维涂层厚度,涂层厚度为0.5mm;面层采用NO.472乙烯酯涂层抵抗温度、酸液侵蚀和烟温变化产生的热冲击,达到三重防腐的目的,涂层厚度为0.2mm。

2 应用结果

因机组运行条件限制,仅可在机组停机检修期间对萨维真材料的应用效果进行内部检查,检查结果如下:机组运行约200 天后,脱硫塔入口附近(距离脱硫塔入口约5m)涂层已严重脱落(如图1 所示),顶部折角处涂层已完全脱落,两侧残留有部分涂层,底部积液严重,涂层已完全脱落,烟道钢结构已经锈蚀;远离脱硫塔入口处涂层相对较好,仅局部位置出现鼓包,未见起皮、脱落等问题(如图2 所示)。引风机出口附近涂层表面积灰严重,涂层表面附着有约3 ~5mm 厚的灰层硬壳,灰层下涂层完好(如图3 所示)。机组运行约400 天后,脱硫塔入口水平段大部分涂层与钢基体之间剥离,剥开表面涂层后,涂层下部分可见白色析出物,部分位置烟道钢板出现锈蚀痕迹(如图4 所示);引风机出口附近涂层已几乎完全脱落,仅局部位置残留部分涂层痕迹(如图5 所示)。

3 分析与讨论

由检查结果可以看出,涂层在使用200 天后,靠近吸收塔入口处涂层已完全失效,其他位置相对较好。涂层在使用400 天后,尾部烟道萨维真涂层已整体失去防护效果。以下对涂层失效原因进行初步分析:(1)烟气温度脱硫吸收塔入口位置、引风机出口位置一段时间内的烟气温度监测数据如图6 所示。可见,当机组发电效率在350MW ~ 600MW 范围内波动时,脱硫塔入口处烟气在135 ~ 160℃范围内波动,引风机出口位置烟气温度在150 ~ 180℃范围内波动。为了保证脱硫系统的安全稳定运行,要求进入吸收塔的烟气满足一定的温度条件,在脱硫塔入口位置安装了喷淋降温装置,以保护吸收塔内部的防腐内衬、喷淋层FRP 管道、除雾器原件等。当烟气温度达到预设温度160℃时会喷淋降温。由温度因素导致的涂层性能下降主要表现在以下三个方面:①温度偏高导致涂层老化速度加快,高温下涂层的粘接性能、抗渗性能下降,涂层开裂的倾向增加;②因机组发电功率变动频繁,涂层受热应力影响,而涂层在高温下的线膨胀系数与常温下线膨胀系数存在差异,使得涂层在热应力下容易脱落;③吸收塔入口处因加装事故喷淋装置,当开启喷淋时烟温会快速降低,且靠近脱硫塔入口位置烟气转变为饱和湿烟气,工况接近湿态,涂层受酸液浸泡,涂层性能下降。因事故喷淋导致靠近脱硫塔入口段由温度快速变化导致的内应力使涂层容易脱落;

(2)腐蚀与磨损

燃料中的硫分在燃烧时与氧化合形成SO2,其中有小部分再被氧化,生成SO3。另外,由于机组烟气采用湿法脱硫,在脱硫吸收塔入口位置,会产生由酸雾造成的腐蚀,尾部烟道面临的腐蚀环境更为严峻。因为靠近脱硫吸收塔和喷淋系统的作用,尾部烟道水平段烟气湿度增加,烟道内表面涂层处于酸液长期作用。本工程烟道底部因未安装排酸装置,烟道底部积液严重,对烟道内酸液进行取样分析,检测结果如表1 所示,酸液中SO42- 浓度较高,酸液pH 值为3.09,为强腐蚀性酸液。烟气中夹带的大量粉尘随高速流动的烟气进入尾部烟道,可能会附着于烟道内表面,部分液体渗透到涂层的龟裂纹中。当系统停止运行时,这些液体在自然干燥下生成结晶盐,同时体积膨胀,破坏防腐材料,使其蜕皮、疏松、破裂损坏。烟道内表面的积灰与烟气中的水汽反应,形成以硫酸钙为基质的水泥状物质,引起积灰硬化,增加了内壁积水能力,进一步加剧了结晶腐蚀的作用。如图4 所示,萨维真涂层虽然没有脱落但是已经与基体脱离,涂层与基体间填充有大量结晶盐,部分钢基体已经腐蚀。由于高温烟气携带的飞灰颗粒具有极大的动能,飞灰颗粒冲击受热面表面时,消耗动能的同时对金属表面产生了冲击和切削作用,其单位时间磨损程度与烟气流速和飞灰温度相关。烟气流速大时,飞灰颗粒对管壁的撞击力、冲刷力加大,磨损加快。飞灰磨损量与烟气流速的三次方成正比,即烟气的流速增加1 倍,磨损速度增加7 倍,因此烟气流速对受热面的磨损起主要作用;同时烟灰颗粒的温度高时,颗粒较软,磨损性能差。烟灰颗粒的温度低时,颗粒硬,磨损性能强。因此,中低温段飞灰磨损相对较为严重。

飞灰颗粒冲击到金属壁面时的情况分为正向冲击和斜向冲击两种,而斜向冲击根据力学原理可以分为切线和法线两个方面,切线方向的切向力可使管壁金属产生磨损,当冲击角为30 ~ 50°时,由于冲击力和切向力的双重作用达到最大值,所以磨损也最为严重。本工程因烟气温度较高,所以磨损相对较弱,从检查结果来看,未见明显的磨损痕迹。引风机出口位置涂层在运行两百天后仍然保持良好状态,因该处烟气相对干燥,表面硬质灰层起到一定的保护其不受磨损的作用。但该处烟气温度较其它位置偏高,在涂层老化,性能降低后受烟气吹损影响而脱落。但引风机出口的涂层损害,温度原因仍然为主要因素。脱硫塔入口处烟道口径缩小,烟道顶部向下倾斜,该处所受磨损严重,会导致该处涂层首先脱落;

(3)施工质量

施工过程中对原材料、施工工艺进行了严格控制,对工程用材料进行了现场抽样送检,对钢结构表面喷砂质量进行了全程跟踪检查,对施工工艺进行了现场跟踪,对涂层厚度进行了抽样检查,保证工程质量满足技术规范要求。但是实际国内施工工程与国外的工程质量还是不可避免的存在一定差距,也很难在实际工程中复现材料的最佳性能。

4 应对措施

因萨维真内衬材料在高温尾部烟道运行200 天左右后,局部位置已完全失效。针对失效位置采用其他材料进行了修复,并对其应用效果进行了跟踪。

(1)内衬修补措施

对尾部烟道脱硫吸收塔入口位置萨维真涂层严重脱落位置采用贝尔佐纳涂层(如图7 所示)和环氧基树脂玻璃鳞片+ 纤维布涂层(如图8 所示)进行了修复。运行220 天左右,检查发现涂层已完全失效。玻璃鳞片+ 纤维布防腐涂层严重老化,脱落。贝尔佐纳涂层与基体剥离,失去保护作用;

(2)耐酸钢修补

哈氏合金、钛合金等耐酸合金很好地克服耐高温、耐温度变化、耐腐蚀等问题,但由于成本较高,难以推广使用。南京钢铁股份有限公司研究院新开发的新型耐腐蚀钢(Q315NSS)具有良好的耐蚀能力,目前已在该电厂尾部烟道进行挂片试验,应用效果需要进一步跟踪论证;

(3)其他

因吸收塔入口位置酸液积聚严重,应在最低平面处安装排酸管道及时将酸液导出。另外,烟气温度偏高使得常规的防腐材料难以满足防腐要求,可以考虑采取措施降低烟气温度,如加装低温省煤器,使烟气温度降到90℃左右,虽然会导致烟气温度低于酸露点温度,引起低温腐蚀[2],但是其防腐难度低于当前高温防腐条件。

5 总结

高温烟道烟气正常工况下的温度为120 ~ 180℃,其内部是一个温度较高、介质复杂、腐蚀强度高的环境,而西南地区的机组因燃用高硫煤,所面临的腐蚀环境尤其严峻。从萨维真材料的应用情况来看,导致其失效的主要原因还是烟气温度偏高,而酸液中溶解的硫酸盐等产生的结晶腐蚀和温度波动造成的热应力进一步加剧了涂层料的失效。经实际应用验证:萨维真涂料、贝尔佐纳涂料和玻璃鳞片+ 纤维布防腐方案均难以达到理想的防腐效果,尤其是脱硫塔入口处,采用涂料类内衬防腐方案难度极大。


 

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