摘　要：分析燃用高含硫燃油鍋爐固定管箱式空氣預(yù)熱器的腐蝕失效原因。針對腐蝕失效原因，換熱管采用外鍍搪瓷處理，采用活動管箱式結(jié)構(gòu)，換熱管與箱體板連接處采用迷宮密封套進行密封，提高了空氣預(yù)熱器的抗腐蝕能力。

關(guān)鍵詞：高含硫燃油  鍋爐  空氣預(yù)熱器  抗腐蝕  迷宮密封套

Corrosion-resistant Design of Air Preheater in Boiler Burning High-sulfur Oil

Abstract：The causes for corrosion failure of fixed tube box-type air preheater in boiler burning high-sulfur oil are analyzed．For these，the heat exchange pipe is enameled outside，an activity tube box-type structure is used，and the junction of heat exchanger pipe and box plate is sealed by labyrinth seal，so the corrosion resistant capacity of air preheater is improved．

Key words：high-sulfur oil；boiler；air preheater；corrosion resistance；labyrinth seal

隨著我國煉油化工企業(yè)大量加工由中東及中亞進口的高含硫原油，燃油鍋爐所使用的燃料性質(zhì)不可避免地發(fā)生變化。燃油中硫含量的升高，勢必使燃油鍋爐尾部產(chǎn)生嚴重腐蝕甚至失效，縮短使用壽命^[1]。本文對燃用高含硫燃油鍋爐空氣預(yù)熱器的抗腐蝕設(shè)計進行研究。

1　空氣預(yù)熱器腐蝕失效原因分析

①背景

某煉油化工企業(yè)燃油鍋爐在20世紀70年代投入運行，空氣預(yù)熱器采用整體焊接的固定管箱式結(jié)構(gòu)(見圖l)，換熱管材質(zhì)為20號鋼，在運行初期所燃用的燃料基本符合設(shè)計要求，使用壽命為3～5年。隨著燃油中硫含量的增加，空氣預(yù)熱器使用壽命逐漸縮短，到1993年連續(xù)使用時間僅為2～3月，嚴重影響鍋爐的正常運行^[2]。換熱管主體腐蝕情況見圖2，換熱管根部斷裂情況見圖3。鑒于這種情況，該企業(yè)組織相關(guān)技術(shù)人員成立課題小組，對空氣換熱器的失效原因進行分析并進行技術(shù)改造。

②腐蝕失效原因分析

對于管箱結(jié)構(gòu)的空氣預(yù)熱器，空氣在換熱管內(nèi)流動，煙氣在換熱管外流動。由于煙氣中S0，極易與煙氣中的水蒸氣形成硫酸蒸氣，當換熱管管壁溫度低于酸露點時，硫酸蒸氣在換熱管外壁凝結(jié)，造成酸露點腐蝕。加之換熱管一般為錯排布置，易導(dǎo)致?lián)Q熱管外壁結(jié)垢。

在管箱外壁附近(換熱管根部)，由于散熱損失較大，使得硫酸蒸氣極易在換熱管根部凝結(jié)，產(chǎn)生嚴重的酸露點腐蝕。對于采用整體焊接的固定管箱式結(jié)構(gòu)的空氣預(yù)熱器，換熱管根部受焊接熱影響作用，抗腐蝕性能大幅下降，最終導(dǎo)致?lián)Q熱管根部處發(fā)生腐蝕斷裂。

根據(jù)以上分析，課題小組選用抗腐蝕性能較高的ND鋼(09CrCuSb)對換熱管進行改造，仍采用整體焊接的固定管箱式結(jié)構(gòu)。但改造后，5～10個月?lián)Q熱管根部再次出現(xiàn)了斷裂。不但使用壽命沒有有效延長，而且由于ND鋼的價格較高，導(dǎo)致成本急劇增加。

由此可見，不論采用20號鋼還是ND鋼，換熱管根部斷裂情況并未得到根本改善，因此應(yīng)從空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)上尋找腐蝕失效原因。由于煙氣在空氣預(yù)熱器換熱管外垂直于換熱管流動，加之換熱管長度比較長(長度為2.3m)，在煙氣作用下，換熱管必然產(chǎn)生垂直于換熱管中心線的交變應(yīng)力，由于換熱管根部受強制約束，因此在焊接部位的交變應(yīng)力比其他部位大。加之換熱管根部易發(fā)生酸露點腐蝕，以及焊接熱影響區(qū)抗腐蝕能力下降，最終導(dǎo)致?lián)Q熱管根部腐蝕斷裂。

2　技術(shù)改造

為降低成本，經(jīng)過分析研究，決定選用抗腐蝕性能高且價格低的復(fù)合管材——20號鋼管外表面鍍搪瓷，采用端面填料函密封的活動管箱式結(jié)構(gòu)(見圖4)。

鍍搪瓷鋼管穿入箱體板中，壓板擠壓柔性石墨密封圈，以填充箱體板與換熱管間的填料函起到密封作用。與整體焊接的固定管箱式結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)一是可以削弱換熱管根部承受的交變應(yīng)力，二是可有效避免焊接導(dǎo)致的管道抗腐蝕性能的降低。經(jīng)過技術(shù)改造，使用壽命提高到l0～12個月。雖然技術(shù)改造后空氣預(yù)熱器的使用壽命有了一定延長，但效果仍不理想。通過現(xiàn)場勘察，技術(shù)改造基本杜絕了換熱管主體的酸露點腐蝕，腐蝕主要發(fā)生在換熱管與箱體板、柔性石墨密封圈接觸的部位(見圖5)。通過對換熱管腐蝕部位的金相組織(見圖6)分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕成因為典型的縫隙腐蝕^[3-4]。

由于安裝時的誤操作，以及煙氣流動沖擊和熱脹冷縮，造成搪瓷層與箱體板及柔性石墨密封圈摩擦，常造成搪瓷層出現(xiàn)一些細小的裂縫。正是這些細小裂縫的存在，使得硫酸蒸氣凝結(jié)液滯留在其中，造成縫隙內(nèi)金屬的腐蝕。

縫隙腐蝕主要是氧濃差電池與閉塞電池聯(lián)合作用造成的。在金屬材料蝕孔形成之后，蝕孔內(nèi)金屬處于活化狀態(tài)，而蝕孔外的金屬表面仍處于鈍態(tài)，主要反應(yīng)為：

蝕孔內(nèi)部(陽極反應(yīng))：

Fe®Fe²⁺+2e^-

蝕孔外部(陰極反應(yīng))：

O2+H2O+2e^-®2OH^-

蝕孔口邊，pH值增高，產(chǎn)生二次反應(yīng)：

Fe²⁺+20H^-®Fe(OH)2

Fe(OH)2+H2O+O2®Fe(OH)3

Fe(OH)3沉積在蝕孔口邊形成多孔的蘑菇狀殼層，造成蝕孔內(nèi)外物質(zhì)交換困難。蝕孔內(nèi)介質(zhì)相對蝕孔外介質(zhì)呈滯流狀態(tài)，使蝕孔內(nèi)氧濃度繼續(xù)下降，而蝕孔外富氧，從而形成氧濃差電池。氧濃差電池的作用加速了蝕孔內(nèi)金屬不斷離子化，使蝕孔內(nèi)Fe²⁺濃度不斷增加，為保持電中性，蝕孔外酸根離子向蝕孔內(nèi)遷移并與蝕孔內(nèi)Fe²⁺形成可溶性鹽，并隨著濃縮、水解等過程使孔內(nèi)pH值下降(可達2～3)，腐蝕以自催化酸化過程不斷發(fā)展，即閉塞電池作用。蝕孔底部由于蝕孔內(nèi)的酸化、H⁺去極化的發(fā)生及蝕孔外氧去極化的綜合作用，加速了蝕孔底部金屬的腐蝕速率，從而使蝕孔不斷向縱深迅速發(fā)展，一般在很短時間內(nèi)可蝕穿金屬層。

綜上所述，雖然端面填料函密封的活動管箱式結(jié)構(gòu)進一步延長了空氣預(yù)熱器的使用壽命，但仍存在缺陷。主要表現(xiàn)為換熱管與箱體板、柔性石墨密封圈接觸部位的縫隙腐蝕，從而影響空氣預(yù)熱器的使用壽命，因此須對端面填料函密封的活動管箱式結(jié)構(gòu)進行更加完善地改造，從本質(zhì)上消除縫隙腐蝕的發(fā)生。

經(jīng)研究，認為采用非金屬材料的迷宮密封結(jié)構(gòu)可以有效消除縫隙腐蝕的發(fā)生，迷宮密封活動管箱式結(jié)構(gòu)見圖7。鍍搪瓷鋼管穿入迷宮密封套中(內(nèi)環(huán)面加工有迷宮鋸齒槽)，迷宮鋸齒槽與鋼管外表面形成若干道迷宮腔，從而實現(xiàn)了密封。迷宮密封活動管箱式結(jié)構(gòu)不但具有端面填料函密封的活動管箱式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，還由于換熱管與箱體板之間有柔性迷宮密封套隔離，避免了在安裝、運行過程中對搪瓷層的破壞，從本質(zhì)上消除了縫隙腐蝕的發(fā)生^[5]。經(jīng)技術(shù)改造后的空氣預(yù)熱器，連續(xù)運行2年后運行狀況依然良好，箱體板及換熱管各部位基本上沒有發(fā)生腐蝕(見圖8、9)。

3　技術(shù)經(jīng)濟性分析

自2005年采用迷宮密封活動管箱式結(jié)構(gòu)以來，空氣預(yù)熱器運行平穩(wěn)，使用壽命已經(jīng)超過6年，為煉油化工企業(yè)的長期穩(wěn)定運行提供了保障。

按單純改善換熱管材質(zhì)考慮，當換熱管采用20號鋼時，一組管箱(整體焊接的固定管箱式結(jié)構(gòu))的制造安裝費用為2.85×10⁴元。當換熱管采用ND鋼時，一組管箱(整體焊接的固定管箱式結(jié)構(gòu))的制造安裝費用為6.96×10⁴元。后者的制造安裝費用為前者的2.44倍，但使用壽命并未明顯延長，最長為5～10個月。

采用端面填料函密封的活動管箱式結(jié)構(gòu)時，一組管箱的制造安裝費用為7.64×10⁴元。采用迷宮密封活動管箱式結(jié)構(gòu)時，一組管箱的制造安裝費用為13.52×10⁴元。前者的使用壽命為l0～l2個月，后者的使用壽命為6年以上。因此，在滿足使用壽命的前提下，采用迷宮密封活動管箱式結(jié)構(gòu)的空氣預(yù)熱器的技術(shù)經(jīng)濟性可以接受。

參考文獻：

[1]徐通模，金定安，溫龍．鍋爐燃燒設(shè)備[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，1990：1-40．

[2]趙欽新，惠世恩．燃油燃氣鍋爐[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，2000：2-27．

[3]化學(xué)工業(yè)部化工機械研究院．腐蝕與防護手冊[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991：1-30．

[4秦國治，丁良棉，田志明．管道防腐蝕技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：1-14．

[5]白庭河，徐文豪，楊曉霖，等．燃油燃氣鍋爐尾部灰斗腐蝕機理及解決方案[J]．煤氣與熱力，2011，31(1)：A01-A03．

本文作者：白庭河  楊曉霖  俞樹榮

作者單位：蘭州石化公司

  蘭州理工大學(xué)