鍋爐受熱面管內(nèi)氧化物生成及剝落機(jī)理的研究.pdf

1、我國(guó)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)能源結(jié)構(gòu)主要以燃煤的火力發(fā)電為主。提高燃煤機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換效率，降低污染物排放是燃煤機(jī)組的主要任務(wù)。提高火電機(jī)組循環(huán)效率最有效的途徑之一就是提高蒸汽的初參數(shù)。
　　 近年來(lái)，超（超）臨界機(jī)組在我國(guó)已成為發(fā)展的主流，蒸汽溫度已達(dá)600℃，壓力達(dá)到30MPa，熱效率達(dá)45％左右。近五年來(lái)，通過對(duì)國(guó)外超（超）臨界機(jī)組技術(shù)引進(jìn)和消化吸收，經(jīng)過本土化的實(shí)踐，已形成了自主設(shè)計(jì)、制造超（超）臨界電站設(shè)備的能力。但對(duì)于高溫

2、材料特性和運(yùn)行的技術(shù)還未完全理解，尤其一些運(yùn)行操作規(guī)程的制定還主要是參照亞臨界機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并未形成完整的成套技術(shù)。因而，氧化層導(dǎo)致的鍋爐爆管事故時(shí)而發(fā)生，給電站鍋爐、汽機(jī)以及熱力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了重大影響。因此，對(duì)有必要對(duì)氧化層的成分、Fe離子的遷徙過程、給水加氧的可行性以及氧化層對(duì)管道的影響、氧化層的剝落機(jī)理進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。
　　 本文首先運(yùn)用熱力學(xué)第二定律對(duì)金屬元素和O2的反應(yīng)、Fe和H2O(g)的反應(yīng)及Cu和

3、H2O(g)的反應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算，并將它們的吉布斯自由能與溫度T的關(guān)系用Ellingham圖表示出來(lái)。通過對(duì)Ellingham圖的分析可得:Cr與氧的親和力大于鐵與氧的親和力，這也就說(shuō)明了，高溫條件下，Cr含量越高，合金的抗氧化能力越強(qiáng)。并詳細(xì)解釋了過熱器/再熱器中，蒸汽的溫度在540℃左右管道內(nèi)壁氧化膜分層的原因，氧化膜由內(nèi)向外的順序是內(nèi)層是FeO，中間是Fe3O4，外層是Fe2O3。電廠給水系統(tǒng)加氧處理的目的之一就是為了生成結(jié)構(gòu)致密的F

4、e2O3，用以防止鋼材的進(jìn)一步腐蝕。而在汽水系統(tǒng)中生成致密的Fe2O3，必須保證給水中有充足的含氧量。由于Cu在有氧的環(huán)境下會(huì)發(fā)生明顯的氧化反應(yīng)，故冷凝器出口后面的銅管中不適合通過加氧水。
　　 以高溫水和超臨界水物理和化學(xué)性質(zhì)的變化為切入點(diǎn)，從電站汽水系統(tǒng)中工質(zhì)的電位和pH值兩方面著手分析其對(duì)汽水系統(tǒng)中管材基體腐蝕的影響，并對(duì)電站汽水系統(tǒng)中Fe-H2O系建立了升溫條件下的電位-pH圖。分別對(duì)固-液界面電位-pH圖和液-液界面電

5、位-pH圖進(jìn)行了詳細(xì)而深入的分析，得到Fe-H2O體系中Fe2+離子是最重要的腐蝕產(chǎn)物。在一定的pH和E的環(huán)境下，F(xiàn)e轉(zhuǎn)變成Fe2+，這些離子會(huì)隨著工質(zhì)流動(dòng),從而使管道基體中的[Fe]含量減少，使管壁減薄。本文從流動(dòng)加速腐蝕和給水處理兩方面進(jìn)行了總結(jié)，得到以下結(jié)論:①流動(dòng)加速腐蝕一般會(huì)發(fā)生在25～300℃之間，并且在150℃時(shí)，F(xiàn)e轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+，所需電位最低，此時(shí)最容易發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕。②為了阻礙管道基體中的[Fe]進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成Fe2

6、+，給水pH值應(yīng)控制在9.6-12之間進(jìn)行變化，使[Fe]轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3O4和Fe2O3。從而得到給水加氧處理第二個(gè)目的就是同時(shí)從提高給水的pH值和提高反應(yīng)電位，即氧化[Fe2+];這兩種途徑均達(dá)到減小[Fe2+]的數(shù)量的目的。
　　 為了分析氧化層對(duì)過熱器和再熱器管道的影響，本文將L-M公式與傳熱學(xué)理論結(jié)合，建立了具有氧化膜的過熱器、再熱器的管道傳熱模型。分析它們?cè)诓煌墓艿赖膸缀纬叽?、蒸汽流量、蒸汽溫度、煙氣溫度等因素下，管?/p>

7、基體外壁、基體/氧化層界面、蒸汽/氧化層界面三者的溫度和熱流密度的變化，以及氧化層厚度的變化。計(jì)算得到的氧化層厚度與實(shí)際測(cè)量值相比較，它們有很好的一致性，并在工程誤差允許范圍之內(nèi)，所以這種計(jì)算內(nèi)壁氧化膜厚度的方法是可行的。由于，管道運(yùn)行過程中，管道的幾何尺寸已定，對(duì)其他影響因素進(jìn)行敏感性分析可以知道，它們對(duì)三個(gè)界面的溫度和熱流密度變化的影響順序均為;蒸汽流量＞蒸汽溫度＞煙氣溫度。所以，在電廠的實(shí)際運(yùn)行中，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)蒸汽流量的變化。并且合理

8、的證明了管道外壁的溫升和氧化層/基體界面的溫升是由于氧化膜的生長(zhǎng)而引起的，它們之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，并且它們的溫升系數(shù)Aw1、Aw2與氧化層引起的溫升系數(shù)B之間的關(guān)系為:B=α1Aw1+α2Aw2。并得到了各界面的熱流密度與氧化膜厚度之間呈線性關(guān)系，并且是時(shí)間t和氧化膜厚度d的函數(shù)，其評(píng)估方程可表示為:q=C0+C1X+C2X2，其中X=logt-2log(0.467d)。
　　 本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)具有一定厚度氧化膜的過

9、熱器/再熱器管道在蒸汽側(cè)及煙氣側(cè)溫度發(fā)生相同擾動(dòng)時(shí)，在不同的蒸汽流量、初始溫度和壓力及管道的幾何尺寸、煙氣溫度、氧化膜厚度等影響因素的情況下各個(gè)界面徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力、等效應(yīng)力和壁面溫度的變化進(jìn)行了分析。相同溫度擾動(dòng)幅度下，蒸汽側(cè)擾動(dòng)對(duì)管基體及氧化膜內(nèi)溫度和應(yīng)力的影響均比煙氣側(cè)擾動(dòng)大得多。溫度發(fā)生擾動(dòng)，氧化膜內(nèi)溫度和應(yīng)力在擾動(dòng)初期有一個(gè)急劇變化的過程，且變化幅度很大，氧化膜易發(fā)生剝落。在各個(gè)影響因素中，蒸汽流量對(duì)三者的影響尤為突出，且遠(yuǎn)