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????? 電站汽包爐機組局部輕微氧化性無除氧劑水化學(xué)工況研究

????? 1 引言電力工業(yè)由于大量使用金屬材料，并且金屬材料的使用環(huán)境大都接
近其極限使用條件，因而由腐蝕所造成的事故時有發(fā)生，如凝汽器的泄漏、鍋爐
的腐蝕爆管、汽輪機葉片破裂等重大事故。據(jù)美國電力研究院（EPRI）的統(tǒng)計表
明，美國電力工業(yè)每年的腐蝕損失約為 100億美元，并且 55%的計劃外支出都與
腐蝕有關(guān)，使用戶多付了 10%的電費。我國電力工業(yè)沒有這方面正式的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，
但從國內(nèi)的材料和運行管理水平分析，這個比例只會更大。

????? 控制腐蝕的方法無外乎兩種：一是從金屬材料本身著手，選用耐腐蝕的合
金或非金屬材料，提高金屬材料的耐腐蝕性；二是降低與金屬接觸環(huán)境的腐蝕性。
第一種方法在電站設(shè)計時已選定，同時還要考慮造價的因素。第二種方法是電站
建成投運后控制腐蝕的最有效方法，最具操作性和實用性，直接影響電站的實際
使用壽命。電站主化學(xué)水汽循環(huán)系統(tǒng)包含了絕大部分電站熱力設(shè)備，所以控制這
些熱力設(shè)備腐蝕的最有效途徑就是選擇和維持一個合適的水化學(xué)工況，以降低主
化學(xué)水汽循環(huán)系統(tǒng)中介質(zhì)（水和水蒸氣）的腐蝕性，使各熱力設(shè)備在介質(zhì)中的腐
蝕速度盡可能最小。

????? 2 國內(nèi)外現(xiàn)狀水化學(xué)工況也稱水規(guī)范，是指鍋爐的給水與爐水處理方式及
所維持的主要水質(zhì)指標(biāo)。根據(jù)國內(nèi)外的資料和經(jīng)驗，目前應(yīng)用于亞臨界及以上機
組的水工況主要有兩大類共六種，即還原性水工況（包括磷酸鹽水工況、氫氧化
鈉水工況、堿性全揮發(fā)水工況和絡(luò)合物水工況）和氧化性水工況（包括中性水工
況和聯(lián)合水工況）。還原性水工況中的磷酸鹽水工況、氫氧化鈉水工況和絡(luò)合物
水工況主要用于汽包爐，堿性全揮發(fā)水工況（AVT ）可用于汽包爐和直流爐，氧
化性水工況主要用于直流爐。

????? 還原性水工況的突出優(yōu)點在于它的安全性高、適應(yīng)性強和操作控制方便；
主要的不足是腐蝕速度相對較大，特別是爐前凝結(jié)水和給水系統(tǒng)，從低加到省煤
器進口這一段各彎管、給水泵進口和其它進出水分布裝置等紊流部位的腐蝕損壞
情況尤為嚴(yán)重，致使引起事故停機及大修期間更換的幾率大。同時，這些腐蝕又
引起給水和爐水中的鐵濃度偏高，鐵垢形成速度加快，機組酸洗間隔縮短。另外，
還原性水工況所加的化學(xué)除氧劑聯(lián)胺為易揮發(fā)、易燃、有毒和被疑為致癌物質(zhì)，
存在使用上的問題，尋找其替代品的工作一直都在進行，但對亞臨界及以上機組
來說，目前還沒有找到兩全其美的辦法。氧化性水工況的主要優(yōu)點是系統(tǒng)腐蝕速
度小，爐水含鹽量低，鍋爐內(nèi)部干凈，運行壓降小，鍋爐結(jié)垢速度小，清洗周期
長，不需加除氧劑，化學(xué)藥品消耗少等；其主要的不足是對給水品質(zhì)的要求嚴(yán)格，
對系統(tǒng)本身及其運行控制的要求高。

????? 由于氧化性水工況對機組的腐蝕要遠(yuǎn)小于還原性水工況，因此目前直流鍋
爐都傾向于采用加氧水工況。對于汽包爐，由于存在爐內(nèi)爐水的濃縮問題，水質(zhì)
條件無法達到傳統(tǒng)氧化性水工況的要求，因而在使用上受到了限制，目前仍是以
還原性水工況為主，使用較多的有平衡磷酸鹽處理和氫氧化鈉處理。所以對于汽
包爐來說，選擇還原性水工況，則會存在系統(tǒng)腐蝕速度相對較大、給水和爐水鐵
濃度高、鍋爐結(jié)垢速度快、酸洗間隔短、無法避免有毒化學(xué)除氧劑的使用等問題
；選擇氧化性水工況，又會因爐水的濃縮問題使實際運行控制變得困難。針對這
種情況，我們經(jīng)過分析和研究，首次提出了一種新型的汽包爐水化學(xué)工況——汽
包爐局部輕微氧化性無除氧劑水化學(xué)工況，解決了還原性水工況下的系統(tǒng)腐蝕速
度快、鍋爐酸洗間隔短等問題，同時又保留了還原性處理的安全性和易操作性，
避免了氧化性處理的危險性和苛刻條件，兼?zhèn)淞顺Ｒ?guī)氧化性水工況與還原性水工
況兩者的優(yōu)點。

????? 以下介紹該種新型水工況的原理和現(xiàn)場應(yīng)用研究等情況。

????? 3 新型汽包爐水化學(xué)工況的原理還原性水工況下系統(tǒng)腐蝕速度大的原因，
在于該工況下所形成的 Fe3O4鈍化膜疏松、溶解性大；氧化性水工況的成功之處
在于通過維持一個氧化性的環(huán)境，在鋼鐵表面形成和維持一層致密、溶解性小、
更耐腐蝕的 Fe2O3/Fe3O4保護膜，從而達到減輕金屬腐蝕速度以及 FAC腐蝕問題
的目的。我們經(jīng)過理論計算和實驗室研究發(fā)現(xiàn)，要達到后者的效果，氧濃度并不
需要太高。因此，我們可以將還原性水工況處理下水蒸汽循環(huán)中最薄弱的部位控
制在微弱有效的氧化性環(huán)境中，其它部位仍保持與常規(guī)還原性水工況處理基本一
樣，則既可解決還原性水工況下腐蝕速度快、FAC 嚴(yán)重的問題，又可保留汽包爐
還原性處理的安全性和易操作性，同時避免全氧化性水工況處理中的不利因素和
苛刻條件。由分析可知，這是一種介于氧化性水工況與還原性水工況之間的新處
理方式，我們稱之為" 汽包爐局部輕微氧化性無除氧劑水化學(xué)工況".根據(jù)這個原
理和設(shè)想，我們進行了一系列理論分析計算和實驗室試驗驗證，由此確定了該種
新型汽包爐水化學(xué)工況的主要工藝控制參數(shù)，并在一 300MW機組上進行了實施，
以下介紹現(xiàn)場應(yīng)用的研究情況。

????? 4 新型汽包爐水化學(xué)工況的現(xiàn)場應(yīng)用研究為了考查和驗證該種新型汽包爐
水化學(xué)工況的處理效果，于 2002 年 10 月至 11 月在一 300MW機組上進行了現(xiàn)
場應(yīng)用試驗研究，試驗采用的主要研究和評價方法有：（a ）金屬常溫和高溫腐
蝕電化學(xué)研究方法。

????? （b ）高溫給水中掛片稱重法（c ）表面分析技術(shù)。

????? （d ）常規(guī)化學(xué)分析。

????? （e ）在線儀表分析。

????? 為了便于對比，在同一臺機組上也進行了 GB/T 12145-1999上規(guī)定的汽包
爐傳統(tǒng)磷酸鹽還原性水化學(xué)工況試驗。

????? 4.1 試驗期間水汽品質(zhì)及 Cu 、Fe含量變化情況與分析采用傳統(tǒng)磷酸鹽還
原性水化學(xué)工況試驗期間，省煤器入口給水中Cu、Fe含量的變化情況見圖4-1 ，
其平均值分別為 2.6ppb 和 15ppb；凝結(jié)水泵出口凝結(jié)水中的平均Cu、Fe含量分
別為2.4ppb和21.7ppb ；爐水中的平均 Cu 、Fe含量分別為 2.7ppb 和 8.2ppb
；飽和蒸汽中的平均 Cu 、Fe含量分別為 2.7ppb 和 6.9ppb.采用汽包爐局部輕
微氧化性無除氧劑水化學(xué)工況試驗期間，省煤器入口給水中 Cu 、Fe含量的變化
情況見圖 4-2；凝結(jié)水泵出口凝結(jié)水中的平均 Cu 、Fe含量分別為 2.6ppb 和 9.8ppb
；爐水中的平均 Cu 、Fe含量分別為 2.77ppb和 3.9ppb ；飽和蒸汽中的平均 Cu
、Fe 含量分別為 2.6ppb 和 2.9ppb.在傳統(tǒng)磷酸鹽還原性水化學(xué)工況試驗期間，
除給水 Fe 含量之外的各項水汽指標(biāo)均符合 GB/T 12145-1999中的規(guī)定，并且多
項指標(biāo)均遠(yuǎn)低于國標(biāo)中規(guī)定的控制值，說明試驗期間的水汽品質(zhì)良好，水汽系統(tǒng)
中雜質(zhì)含量極少。由圖 4-1可知，試驗期間給水中的 Cu 含量比較穩(wěn)定，基本在
2 ～4ppb之間，平均為 2.6ppb ，小于國標(biāo)中規(guī)定的 5ppb ；而 Fe 含量的波動
較大，沒有什么明顯的趨勢和規(guī)律，雖然平均值為 15ppb左右，小于國標(biāo)中規(guī)定
的 20ppb，但 10 天中有兩天的測量值是超標(biāo)的，分別為 29.3ppb和 26.5ppb.
其它部位的 Cu 、Fe含量均未超標(biāo)。以上情況說明，現(xiàn)行的還原性水化學(xué)工況處
理可以滿足 GB/T 12145-1999中對火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備的要求，絕大部
分的水汽質(zhì)量狀況良好。試驗也發(fā)現(xiàn)，在這種處理方式下，給水中的 Fe 含量存
在偏高的現(xiàn)象，F(xiàn)e含量偏高是與爐前凝結(jié)水和給水系統(tǒng)的腐蝕有關(guān)的，試驗期間
的水汽品質(zhì)控制得非常好，所以這種爐前系統(tǒng)的腐蝕與運行控制的水平無關(guān)，而
是決定于這種處理方法的本身。

????? 汽包爐局部輕微氧化性無除氧劑水化學(xué)工況試驗期間，除溶解氧和聯(lián)胺含
量因工況控制要求外，其它各項水汽指標(biāo)均符合 GB/T 12145-1999中的規(guī)定，同
樣有多項指標(biāo)均遠(yuǎn)低于國標(biāo)中規(guī)定的控制值，說明試驗期間的水汽品質(zhì)良好。由
圖 4-2可知，試驗期間給水中的 Cu 含量比較穩(wěn)定，基本在 2～2.7ppb之間，平
均為 2.4ppb ，小于國標(biāo)中規(guī)定的 5ppb ，比前次試驗略??；而 Fe 含量則隨著
試驗的進行呈下降趨勢，在第 7天以后基本降至 1ppb 以下（第 8天數(shù)據(jù)的稍稍
回升是由于取樣時工況剛剛進行了調(diào)整），第 9、10天的 Fe 含量已降至 0ppb ，
整個試驗期間給水的 Fe 含量均未超標(biāo)。凝結(jié)水泵出口凝結(jié)水、爐水及飽和蒸汽
中的平均 Fe 含量均比前次試驗小，Cu含量差別不大。

????? 4.2 省煤器入口高溫高壓給水中碳鋼腐蝕與電化學(xué)分析在傳統(tǒng)磷酸鹽還原
性水化學(xué)工況和汽包爐局部輕微氧化性無除氧劑水化學(xué)工況試驗條件下，分別對
高溫給水的介質(zhì)氧化還原電位和碳鋼在高溫給水中的腐蝕電位進行了連續(xù)在線監(jiān)
測，并對成膜穩(wěn)定后的 20 號碳鋼進行了現(xiàn)場高溫電化學(xué)測試。試片取出后進行
了稱重，并對表面膜形貌、厚度和成分進行了分析（分別見圖 4-3、圖 4-4和圖
4-5 、圖 4-6）。

????? 在傳統(tǒng)磷酸鹽還原性水化學(xué)工況試驗期間，由失重法所測得的碳鋼腐蝕速
度為 0.0289g/m2.h ，年腐蝕深度為 0.0325mm/y.試片外觀整體呈深藍(lán)黑色，表
面膜不很完整，某些部位依稀可見基體金屬的顏色。經(jīng)掃描電鏡分析，表面膜形
貌見圖 4-3，表面膜厚度在 1.5～2.4 μm 之間（見圖 4-4），且不

????? 很均勻；表面膜成分經(jīng) XRD分析為單質(zhì) Fe 和 Fe3O4，其中 Fe3O4約占 5
～10%.由于碳鋼表面被一層鈍化膜所覆蓋，所測得的單質(zhì) Fe 應(yīng)該為 X射線穿過
鈍化膜后，打在碳鋼基體上所反應(yīng)出來的，所以鈍化膜越薄、越疏松、越不完整，
經(jīng) XRD分析所得的單質(zhì) Fe 含量就越多。再由所測 ECorr± 200mV范圍的極化曲
線估算大致的腐蝕速度，其自腐蝕電流應(yīng)該在 1～5 μA/cm2 范圍內(nèi)，換算為 g/m2.h
單位就是 0.0104 ～0.0521 g/m2.h ，這與重量法所測得腐蝕速度基本吻合。該
腐蝕速度基本為 Fe3O4在該環(huán)境下的化學(xué)溶解速度。

????? 在汽包爐局部輕微氧化性無除氧劑水化學(xué)工況試驗期間，由失重法所測得
無膜試片的碳鋼腐蝕速度為 0.0205g/m2.h ，年腐蝕深度為 0.0230mm/y ；經(jīng)前
次試驗成膜試片的碳鋼腐蝕速度為 0.0315g/m2.h ，年腐蝕深度為 0.0354mm/y.
無膜試片的腐蝕速度比前次還原性工況下的測量值小 41%左右，經(jīng)還原性環(huán)境下
預(yù)膜試片的腐蝕速度仍舊與前次試驗相差不大。掃描電鏡所測無膜試片 10 天成
膜后的表面膜形貌見圖 4-5，與圖 4-3有較明顯的區(qū)別；表面膜厚度為 1.5μm
（見圖 4-6），比前面的略小且很均勻；表面膜成分經(jīng) XRD分析也為單質(zhì) Fe 和
Fe3O4 ，但 Fe3O4所占的比例要高，約為 10 ～20%.由于膜的厚度比前面的還略
小，所以可以認(rèn)為此鈍化膜要比前面的更為致密和完整。另外，由于 XRD分析需
要組分含量在 3% 以上才能檢測出來，因此并不排除在 Fe3O4晶粒的中間和縫隙
里夾雜著少量 Fe2O3晶粒的可能性，從而使得表面膜更為致密和完整。經(jīng)傳統(tǒng)工
況預(yù)膜試片的表面膜成分仍為單質(zhì) Fe 和 Fe3O4，其中 Fe3O4約占 10 ～ 15%，
可見該膜的致密性和完整性在前面兩者之間。由所測 ECorr±200mV 范圍的極化
曲線估算大致的腐蝕速度，其自腐蝕電流應(yīng)該在 1～3.5 μA/cm2 范圍內(nèi)，換算
為 g/m2.h 單位就是 0.0104 ～0.0365 g/m2.h ，這與重量法所測得的腐蝕速度
也基本吻合。

????? 5 結(jié)論⑴針對現(xiàn)行汽包爐還原性水化學(xué)工況處理存在的問題和特點，通過
理論分析計算、實驗室試驗驗證以及現(xiàn)場應(yīng)用對比研究，首次提出了一種介于氧
化性與還原性之間的新型汽包爐水化學(xué)工況——汽包爐局部輕微氧化性無除氧劑
水化學(xué)工況，取得了火電機組水化學(xué)工況處理原理和方式的突破，具有重要的理
論意義和應(yīng)用價值。

????? ⑵該種新型水化學(xué)工況解決了還原性水工況下的系統(tǒng)腐蝕速度快、鍋爐酸
洗間隔短等問題，同時又保留了還原性處理的安全性和易操作性，避免了氧化性
處理的危險性和苛刻條件，兼?zhèn)淞顺Ｒ?guī)氧化性水工況與還原性水工況兩者的優(yōu)點。

????? ⑶現(xiàn)場對比應(yīng)用結(jié)果表明，該新型水化學(xué)工況可大副降低給水中的鐵含量。
由失重法所測碳鋼在 200℃左右高溫給水中的腐蝕速度也顯示，新工藝的腐蝕速
度為 0.0205g/m2.h ，年腐蝕深度為 0.0230mm/y ，比傳統(tǒng)還原性工況下的測量
值小 41%左右。

????? ⑷該新型水化學(xué)工況不但能滿足 GB/T 12145-1999中對火力發(fā)電機組及蒸
汽動力設(shè)備的要求，而且可有效抑制凝結(jié)水和給水系統(tǒng)的腐蝕，減少因這些部位
腐蝕損壞而引發(fā)的事故停機損失，降低鍋爐給水中的金屬含量，減輕爐內(nèi)的結(jié)垢
速度，延長鍋爐的酸洗間隔，有效提高機組的可靠性、可用率和使用壽命，為電
廠節(jié)省大筆運行費用，具有非常明顯的安全、經(jīng)濟和社會效益，適用于火力發(fā)電
機組汽包爐的水蒸汽循環(huán)處理。