CN101995375A - 电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法 - Google Patents

电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，包括下列步骤：建立评估氧化膜外延层的耐蚀特性模型；管样氧化膜所处介质、温度、流体条件；对所述管样的检测区域进行微区分析和表面分析(晶粒形态、粒径分布、成分、孔隙率等)；对微区分析、表面分析转化为多个定性定量指标；通过对多维定性定量指标进行赋权，综合评价受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力；提出化学工况优化方向。本发明提出的电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，对电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力进行评估，进而为锅炉化学水工况的优化调整提供依据。

Description

电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法
技术领域
本发明涉及电站锅炉评估领域，且特别涉及一种电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法。
背景技术
保持锅炉受热面(给水系统、水冷壁、高温受热面)的良好状态，包括两个方面：一方面表面清洁，结垢量低；另一方面是表面形成良好的保持膜。只有形成具有良好耐蚀特性的保护膜，才能防止运行过程中发生腐蚀，提高受热面的清洁程度。
适宜的锅炉化学水工况是形成具有良好耐蚀特性的保护膜的前提条件。以给水系统为例，锅炉给水系统的化学工况具有举足轻重的作用，抑制给水系统金属的一般性腐蚀和流动加速腐蚀；减少随给水带入锅炉的腐蚀产物和其他杂质；防止因减温水引起混合式过热器、再热器和汽轮机发生杂质沉积现象。
锅炉受热面水汽界面实际是一个铁/水(汽)/O2等的反应界面，并迅速形成一个具有保护性的氧化层(膜)。氧化膜的结构特点，与反应温度、材质、化学工况密切相关。图1A和图1B是典型氧化膜的端面特性，尽管在结构上存在一些差异，但都可以区分为两层结构，即外延层和内生层。其中外延层的结构特性与化学工况密切相关，也决定了其基本耐蚀能力。图1A所示为低温反应区(50℃～350℃)的低合金钢，图1B所示为高温反应区(400℃以上)的高合金钢。图2A～图2D是不同温度区间受热面氧化膜的基本结构，显然温度愈高，氧化膜表面晶粒越致密，表面越光滑。
目前评价电站锅炉化学水工况是否适宜的主要方法是利用检修进行割管检查，主要是垢量和垢成分测试，并对垢量和表面腐蚀状况进行定性分类。火力发电厂水汽化学监督导则(DL/T561-95)中对水冷壁向火侧结垢速率和管内腐蚀的评价依据如表1和表2。
表1水冷壁向火侧结垢速率的评价
 类别   一类   二类   三类
 结垢速率(g/m2·a)   ＜40   40～80   ＞80
表2省煤器、水冷壁、过热器、再热器管内腐蚀的评价
Figure B2009100566206D0000021
这种评价方法的局限性表现在不能为锅炉化学水工况的调整和优化指明方向。如锅炉水冷壁向火侧结垢速率如果并评价为二类和三类，只能表明锅炉受热面清洁度较差，并需要进行化学清洗等提供依据，其产生的原因是多种的，可能是运行的原因，也可能是停用保护不当，也可能是化学水工况的不匹配造成的。总而言之，该方法只能进行后评估。
发明内容
本发明提出一种电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法。
水汽系统的化学水工况，决定了炉管与流体介质形成的金属外延层的结构特点和耐蚀能力。适宜的化学水工况形成致密、稳定、具有耐蚀能力的金属外延层。通过对炉管氧化膜外延层结构的表征，如表面形态、晶粒大小、孔隙率、粗糙程度等，可以评价氧化膜的耐蚀性能，进而确定化学水工况的适宜性和优化方向。
为了达到上述目的，本发明提出一种电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，包括下列步骤：
建立评估氧化膜外延层的耐蚀特性模型；
收集管样氧化膜所处介质、温度、流体条件；
对所述管样的检测区域进行微区分析和表面分析；
对微区分析、表面分析结果转化为多维定性定量指标；
通过对多维定性定量指标进行赋权，综合评价受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力；
提出热力系统化学工况优化和调整的方向。
进一步的，所述评估氧化膜外延层的耐蚀特性模型包括：外延层与介质接触的表层晶粒的化学溶解度、外延层氧化膜晶粒粒径与孔隙、流体对腐蚀产物的迁移速度。
进一步的，所述对机组检修割管管样进行分析采用场发射扫描电子显微镜。
进一步的，所述对所述场发射扫描电子显微镜观测的管样表观形貌转化为多维定性定量评价指标。
进一步的，该方法通过对多维定性定量指标进行赋权，综合评价受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力。
进一步的，该方法提出热力系统化学工况优化和调整的方向。
本发明提出一种电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，建立评估氧化膜外延层的耐蚀特性模型，对电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力进行评估，进而为锅炉化学水工况的优化调整提供依据。
附图说明
图1A所示为低温反应区(50℃～350℃)的低合金钢。
图1B所示为高温反应区(400℃以上)的高合金钢。
图2a～图2d是不同温度区间受热面氧化膜的基本结构。
图3所示为本发明较佳实施例的电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法流程图。
图4所示为本发明较佳实施例的评价氧化膜外延层的耐蚀特性模型。
图5所示为两相流中氧化膜腐蚀速率和温度、PH关系曲线。
图6所示为氧化膜基本晶粒形貌。
图7所示为典型省煤器管样形貌及耐蚀性评价。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
本发明提出一种电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，对电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力进行评估，进而为锅炉化学水工况的优化调整提供依据。
请参考图3，图3所示为本发明较佳实施例的电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法流程图。本发明提出的电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，包括下列步骤：
步骤S100：建立评估氧化膜外延层的耐蚀特性模型；
步骤S200：收集管样氧化膜所处介质、温度、流体条件；
步骤S300：对所述管样的检测区域进行微区分析和表面分析；
步骤S400：对微区分析、表面分析结果转化为多维定性定量指标(晶粒形态、粒径分布、成分、孔隙率、粗糙程度等)；
步骤S500：通过对多维定性定量指标进行赋权，综合评价受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力；
步骤S600：提出热力系统化学工况优化和调整的方向。
根据图1A和图1B、图2A～图2D对材质表面氧化膜结构的表征，结合锅炉化学腐蚀及输送机理、化学水工况和水汽介质条件，可以建立评价氧化膜外延层的耐蚀特性模型。基本模型示意图如图4所示。包括三个控制过程：
1)表面化学溶解过程：外延层与介质接触的表层晶粒的化学溶解度与其形态(α-Fe2O3、Fe3O4)、温度、pH、介质(水、汽及其混合物)等有密切关系。以温度、pH因素为例(图5)，显然pH在8～10范围内，pH越高氧化膜溶解度越小；而温度呈现峰值形态，在190℃附近达到最大，随着温度继续升高，氧化膜溶解度呈现下降趋势；此外，表层氧化膜不同的基本晶粒形态溶解度差异较大，如果是α-Fe2O3(赤铁矿)形态为主，则氧化膜的化学溶解度要小，而如果是Fe3O4(磁铁矿)为主，而则化学溶解度大得多；磁铁矿的Ksp(25℃)约为10-14～10-18，而赤铁矿Ksp(25℃)约为10-42.7。
2)孔隙扩散过程：外延层氧化膜晶粒粒径越粗大，空隙率越大，腐蚀产物通过孔隙扩散的速度快，耐蚀能力下降。氧化膜晶粒大小与反应温度、化学工况密切相关。图2是不同温度区间受热面氧化膜的基本结构，显然温度愈高，氧化膜表面晶粒越致密，表面越光滑，空隙扩散过程越弱。这也充分说明，氧化膜的腐蚀主要发生在水冷壁之前。
3)流体物理冲刷和迁移过程：与流速和流态(紊流)有关；就流体微观形态而言，晶粒形貌粗大、尖锐，对流体的阻力更大，流体的紊流和冲刷程度更加剧烈，间接提高了流体对腐蚀产物的迁移速度。化学水工况条件决定了氧化膜晶粒的形态，如采用氧化性工况，氧化膜以α-Fe2O3(赤铁矿，图6，b)形态为主，采用还原性工况则以Fe3O4(磁铁矿，图6，a)为主；前者晶粒细小、光滑圆润，对流体阻力小，后者具有明显的切面和锐角，颗粒粗大，对流体阻力大。流体的紊流和冲刷程度更加剧烈，间接提高了流体对腐蚀产物的迁移速度。
总之，适宜的化学工况，就是为了形成一个致密、稳定、具有耐蚀能力的金属外延层。对机组检修割管管样进行分析，利用Philips的场发射扫描电子显微镜XL30FEG(分辨率2.0nm)可实现微区高分辨二维形貌观察及线度精确测量，并使用EDX(X射线能谱仪)可对感兴趣的区域进行微区组分分析，并定量和定性填写表3。
表3氧化膜耐蚀性评价参数
Figure B2009100566206D0000051
注：AVT(R)：all volatile treatment(reduction)，还原性全挥发处理；AVT(O)：all volatile treatment(oxidation)，氧化性全挥发处理；OT：oxygenated treatment，加氧处理；PT：phosphate treatment，磷酸盐处理；CT：氢氧化钠处理，caustic treatment；LPT：low phosphate treatment，低磷酸盐处理。
图7是利用微区分析技术表达三台机组的省煤器管样，利用本方法对三台机组的省煤器管样耐蚀性进行评价，并提出化学工况优化调整方向，最终得到表4。
表4不同给水化学工况典型省煤器氧化膜耐蚀特性评价
Figure B2009100566206D0000061
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，其特征在于，包括下列步骤：
建立评估氧化膜外延层的耐蚀特性模型；
收集管样氧化膜所处介质、温度、流体条件；
对所述管样的检测区域进行微区分析和表面分析；
将微区分析、表面分析结果转化为多维定性定量指标；
通过对多维定性定量指标进行赋权，综合评估氧化膜耐蚀特性；
提出化学工况优化和调整方向。
2.根据权利要求1所述的电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，其特征在于，所述评估氧化膜外延层的耐蚀特性模型包括：外延层与介质接触的表层晶粒的化学溶解度、外延层氧化膜晶粒粒径与孔隙、流体对腐蚀产物的迁移速度等三个维度。
3.根据权利要求1所述的电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，其特征在于，所述对机组检修割管管样进行分析采用场发射扫描电子显微镜。
4.根据权利要求1所述的电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，其特征在于，将场发射扫描电子显微镜观测的管样表观形貌转化为多维定性定量评价指标。
5.根据权利要求1所述的电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，其特征在于，通过对多维定性定量指标进行赋权，综合评价受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力。
6.根据权利要求1所述的电站锅炉受热面汽水界面氧化膜耐蚀能力评估方法，其特征在于，该方法提出热力系统化学工况优化和调整的方向。
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