CN110793058B - 一种锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法，包括：建立水冷壁高温腐蚀反应模型，确定腐蚀反应的化学反应以及影响反应速率的影响因素；结合腐蚀反应的反应机理，确定H₂S在反应界面的扩散速率和化学反应速率；通过守恒原理计算腐蚀过程中锅炉水冷壁的金属基体厚度的变化规律，建立腐蚀物理量与时间之间的函数关系；根据电站锅炉水冷壁的安全运行要求，建立腐蚀寿命评估准则，计算出指定情况下水冷壁金属基体的最大寿命。本发明能够基于化学反应机理和数学推导，结合数理统计理论，建立腐蚀物理量随时间变化的数学模型，并进行水冷壁管道寿命评估，综合考虑了温度和H₂S浓度对腐蚀寿命的影响权重，确定了水冷壁管道的高温腐蚀剩余寿命时间。

Description

一种锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法

技术领域

本发明涉及大型电站锅炉安全运行技术领域，具体而言涉及一种锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法。

背景技术

为降低燃煤电站污染物的排放，各大电厂普遍进行了“超低排放”改造。其中为控制NOX的排放量，通常采用浓淡偏差燃烧以及空气分级燃烧的方式降低炉内NOX生成量，极易形成强还原性气氛。部分电厂为了降低燃料成本掺烧高硫煤。燃料在还原性气氛下受热释放出大量的硫化亚铁、原子硫和硫化氢，原子硫和硫化氢气体可以渗透通过疏松的铁氧化层与内部基体金属发生硫化反应，造成严重的腐蚀问题。由于腐蚀造成的水冷壁爆管问题已经严重影响到电厂运行的安全性，对电网的稳定运行也造成不利影响。据统计，我国火电机组由于水冷壁爆管引发的非计划停运小时数约占机组全年非计划停运总时间的37.8％，由此带来了巨大的经济损失，严重影响电厂的经济效益。

引起高温腐蚀的因素有很多，如：燃煤品质，燃烧器结构及运行方式，水冷壁温度条件等等。并且对于水冷壁的腐蚀程度很难在锅炉运行的同时进行直观量化地测量，往往只能在大修停炉期间通过测量水冷壁的厚度进行腐蚀程度的评估。这大大限制了处理腐蚀安全问题的及时性，带来极大的安全隐患。

由于缺乏可靠的实时测量手段，目前锅炉水冷壁的高温腐蚀的发生程度通常采用预测、评估的推理性、经验性方法。与锅炉水冷壁高温腐蚀预测相关的现有专利有如下几个：

(1)专利号为CN201020253522.X的发明专利“锅炉水冷壁高温腐蚀状态诊断及预防系统”，它将几种水冷壁高温腐蚀的影响因素简单结合，通过经验公式得出的无量纲数进行腐蚀状态判定，数据可靠性不高，缺少机理性的研究。

(2)专利号为CN02139804.6的发明专利“大型电站锅炉水冷壁高温腐蚀程度判别方法”，它是通过灰色聚类法判别高温腐蚀倾向的等级。完全通过数学方法，简单地将水冷壁高温腐蚀影响因素进行权重分级，没有考虑到影响因素的实际作用，同时无法预测水冷壁安全使用的寿命。

发明内容

本发明目的在于提供一种锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法，基于化学反应机理和数学推导，结合数理统计理论，建立腐蚀物理量随时间变化的数学模型，并进行水冷壁管道寿命评估，综合考虑了温度和H₂S浓度对腐蚀寿命的影响权重，确定了水冷壁管道的高温腐蚀剩余寿命时间，意在提供一种有效可行的腐蚀评估方法。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法，包括以下步骤：

S1：建立水冷壁高温腐蚀反应模型，确定腐蚀反应的化学反应以及影响反应速率的影响因素；

S2：根据步骤S1中建立的反应模型，结合腐蚀反应的反应机理，确定H₂S在反应界面的扩散速率和化学反应速率；

S3：通过守恒原理计算腐蚀过程中锅炉水冷壁的金属基体厚度的变化规律，建立腐蚀物理量与时间之间的函数关系；

S4：根据电站锅炉水冷壁的安全运行要求，建立腐蚀寿命评估准则，计算出指定情况下水冷壁金属基体的最大寿命。

本发明主要针对水冷壁高温腐蚀问题，基于其腐蚀机理，结合化学反应动力学和数学推导，建立了水冷壁高温腐蚀一维数学模型，再根据实际参数，对水冷壁管道进行寿命评估，意在提供一种有效可行的腐蚀评估方法，确定了水冷壁管道的高温腐蚀剩余寿命时间。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

(1)基于化学反应机理和数学推导，结合数理统计理论，建立腐蚀物理量随时间变化的数学模型，对水冷壁管道寿命进行评估，评估结果更为准确，便于管理人员掌握水冷壁管道的使用状态，提高了水冷壁管道的安全系数。

(2)综合考虑了温度和H₂S浓度对腐蚀寿命的影响权重，确定了水冷壁管道的高温腐蚀剩余寿命时间，在确保评估结果准确性的前提下，简化了分析问题，加快了运算速度。

(3)在计算高温腐蚀的评估准则阈值Φ时，结合实际情况，综合考虑管道拉应力或压应力参数、温度参数、腐蚀介质中除FeS之外的其他已知腐蚀性气体的浓度等影响因子，设立的评估准则阈值更符合实际应用场景。

(4)通过水冷壁金属的服役时间和局部的参数条件，估算水冷壁金属的腐蚀程度，以达到对水冷壁安全的实时监测目的。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法的流程图。

图2是本发明的水冷壁高温腐蚀反应模型的结构示意图。

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。

具体实施例一

结合图1，本发明提出一种锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法，包括以下步骤：

步骤1，建立并简化水冷壁高温腐蚀反应模型，确定腐蚀反应的主要化学反应以及影响反应速率的主要因素。

步骤2，根据步骤1中建立的反应模型，结合腐蚀反应的反应机理，确定H₂S在反应界面的扩散速率和化学反应速率。

步骤3，通过守恒原理计算腐蚀过程中金属厚度的变化，建立腐蚀物理量与时间之间的函数关系。

步骤4，根据电站锅炉水冷壁的安全运行要求，建立腐蚀寿命评估准则，计算出特定情况下水冷壁金属的最大寿命。

所述步骤1中建立的腐蚀反应模型如附图2所示，在腐蚀反应模型的构建中，为了简化分析问题，抓住腐蚀反应的核心过程，对化学反应方程式进行了精简，认为腐蚀过程只发生硫化氢与金属铁发生的化学反应：H₂S+Fe→FeS+H₂。该化学反应速率主要有下列因素控制：一是腐蚀性气体H₂S通过固相腐蚀产物层向金属基体方向的扩散速度，二是两者在反应界面的化学反应速率，即非均相反应速率。由于腐蚀速度普遍较慢，可忽略水冷壁管道周向影响，将腐蚀反应模型设定为一维模型，反应模型示意图如附图2所示。假设整个腐蚀周期内，生成的腐蚀产物FeS不脱落，一直附着在金属Fe的表面，并且腐蚀产物FeS同时向气体方向和金属基体方向生长，L_b为金属初始厚度，L_i为t时刻未被腐蚀的金属厚度，L₀为t时刻经过腐蚀后的金属整体厚度。

所述步骤2中根据步骤1中建立的反应模型，结合腐蚀反应的反应机理，确定H₂S在反应界面的扩散速率和化学反应速率，具体方法如下：

步骤2-1，计算H₂S在反应界面上的扩散速率：

其中，J为H₂S气体扩散通量，单位为mg/(m²·s)；D为H₂S气体在腐蚀产物FeS层的扩散系数，单位为m²/s；C为H₂S气体浓度，单位为mg/Nm³；dC/dL为H₂S气体沿金属层厚度方向的浓度梯度。取边界条件：L＝L_i，C＝C_i；L＝L₀，C＝C₀；对式(1)积分可得：

步骤2-2，计算H₂S在反应界面上的化学反应速率：

其中，m_H2S为参与化学反应的H₂S气体的质量，单位为mg；K为化学反应本征速度，单位为m/s；S为金属暴露于腐蚀性气氛中的表面积，单位为m²。同时在腐蚀过程中，扩散通量J又可表示为：

联立式(2)、(3)、(4)可将C_i消去得：

所述步骤3中腐蚀过程中金属厚度的变化包括未被腐蚀的金属厚度以及腐蚀过程中锅炉水冷壁的整体厚度。

步骤3-1，计算未被腐蚀的金属厚度的变化情况，根据主要化学反应方程式可知，参加反应的H₂S和Fe的摩尔数相同，即：

两者参加反应的摩尔数又可以表示为：

将式(7)、(8)代入式(6)得：

结合式(5)可得：

其中，n_H2S为参与腐蚀反应的H₂S气体的物质的量，单位为mol；M_H2S为H₂S的摩尔质量，单位为g/mol；n_Fe为参与腐蚀反应的金属Fe的物质的量，单位为mol；ρ_Fe为金属Fe的密度，单位为kg/m³；M_Fe为Fe的摩尔质量，单位为g/mol。

步骤3-2，根据主要反应方程式可知，参与反应的Fe的摩尔量等于生成FeS的摩尔量，即：

n_Fe＝n_Fe (11)

等价于：

化简得：

步骤3-3，建立腐蚀物理量与时间之间的函数关系，将式(13)代入式(10)得：

对式(14)进行积分得：

存在边界条件：t＝0，L_i＝L_b；解得C＝0。

步骤3-4，定义金属的平均腐蚀率X(已腐蚀层占初始金属厚度值)，计算金属平均腐蚀率X与时间t的函数关系，定义：

将式(16)代入式(15)并化简整理得：

其中，V_Fe为Fe的摩尔体积，单位为m³/mol×10³；V_FeS为FeS的摩尔体积，单位为m³/mol×10³。

所述步骤4中以Φ为高温腐蚀的评估准则数，当金属的平均腐蚀率X>Φ时，可认为锅炉水冷壁金属已超过使用寿命，面临水冷壁爆管的风险，而令X＝Φ,可计算出锅炉水冷壁金属安全使用的最大寿命值。同时Φ的选取应结合电站实际情况而定，受多种因素的影响，如在管道无拉应力或压应力服役条件下，壁厚安全系数可以适当降低；当温度降低至脆性转变温度以下时，由于材料脆性的增加，需相应地提高壁厚安全系数；另外，腐蚀介质中还存在其他腐蚀性气体时，比如Cl₂、SO₂、CO、CO₂，壁厚安全系数需要增大。

同时还可以通过水冷壁金属的服役时间和局部的参数条件，估算水冷壁金属的腐蚀程度，以达到对水冷壁安全的实时监测目的。

具体实施例二

针对某630MW超临界四角切圆燃煤锅炉，根据其基准工况的实测数据，腐蚀气氛中H₂S气体的浓度选取为180mg/Nm³，120mg/Nm³，60mg/Nm³；水冷壁壁面温度选取满负荷工况运行下管壁的温度，其值为723K；水冷壁金属初始厚度为0.0075m。

代入上述参数，可得金属平均腐蚀率X与时间t的函数关系关系表达式：

t＝2.41×10⁷X²+0.418×10⁷X C_o＝180mg/Nm³

t＝3.61×10⁷X²+0.628×10⁷X C_o＝120mg/Nm³

t＝7.23×10⁷X²+1.26×10⁷X C_o＝60mg/Nm³

同时，结合锅炉设计规范和监察规程的相关规定，出于保守考虑，取腐蚀评估准则数Φ＝0.5，可以计算出三种腐蚀气氛初始浓度下的金属最大寿命：

t_max＝2255h C_o＝180mg/Nm³

t_max＝3383h C_o＝120mg/Nm³

t_max＝6765h C_o＝60mg/Nm³

而实际该锅炉在正常运行的情况下，其水冷壁管道跟换期约在半年到一年左右，计算结果与实际吻合。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

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 (3)

1.一种锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立水冷壁高温腐蚀反应模型，确定腐蚀反应的化学反应以及影响反应速率的影响因素；

S2：根据步骤S1中建立的反应模型，结合腐蚀反应的反应机理，确定H₂S在反应界面的扩散速率和化学反应速率；

S3：通过守恒原理计算腐蚀过程中锅炉水冷壁的金属基体厚度的变化规律，建立腐蚀物理量与时间之间的函数关系；

S4：根据电站锅炉水冷壁的安全运行要求，建立腐蚀寿命评估准则，计算出指定情况下水冷壁金属基体的最大寿命；

步骤S1中，所述建立水冷壁高温腐蚀反应模型，确定腐蚀反应的化学反应以及影响反应速率的影响因素的过程包括以下步骤：

基于硫化氢与金属铁发生的化学反应：H₂S+Fe→FeS+H₂建立水冷壁高温腐蚀反应模型，其中，设整个腐蚀周期内，生成的腐蚀产物FeS不脱落，一直附着在金属基体的表面，并且腐蚀产物FeS同时向气体方向和金属基体方向生长，L_b为水冷壁的金属基体的初始厚度，L_i为t时刻未被腐蚀的金属基体厚度，L₀为t时刻经过腐蚀后的锅炉水冷壁的整体厚度，所述经过腐蚀后的锅炉水冷壁包括未被腐蚀的金属基体和已生长的腐蚀产物层；

所述影响反应速率的影响因素包括：腐蚀性气体H₂S通过固相腐蚀产物层向金属基体方向的扩散速度，硫化氢与金属铁在反应界面的化学反应速率；

步骤S2中，所述根据步骤S1中建立的反应模型，结合腐蚀反应的反应机理，确定H₂S在反应界面的扩散速率和化学反应速率的过程包括以下步骤：

S21：结合下述公式计算H₂S在反应界面上的扩散速率：

其中，J为H₂S气体扩散通量，单位为mg/(m²·s)；D为H₂S气体在腐蚀产物FeS层的扩散系数，单位为m²/s；C为H₂S气体浓度，单位为mg/Nm³；dC/dL为H₂S气体沿金属层厚度方向的浓度梯度；

取边界条件：(a)L＝L_i，C＝C_i；(b)L＝L₀，C＝C₀，对上式积分可得：

S22：结合下述公式计算H₂S在反应界面上的化学反应速率：

其中，m_H2S为参与化学反应的H₂S气体的质量，单位为mg；K为化学反应本征速度，单位为m/s；S为金属暴露于腐蚀性气氛中的表面积，单位为m²；

S23：在腐蚀过程中，将扩散通量J表示为：

S24：联立前述所有公式，将C_i消去得：

步骤S3中，所述通过守恒原理计算腐蚀过程中锅炉水冷壁的金属基体厚度的变化规律，建立腐蚀物理量与时间之间的函数关系的过程包括以下步骤：

S31：根据主要化学反应方程式可知，参加反应的H₂S和Fe的摩尔数相同，结合下述公式计算未被腐蚀的金属基体厚度的变化情况：

其中，M_H2S为H₂S的摩尔质量，单位为g/mol；ρ_Fe为金属Fe的密度，单位为kg/m³；M_Fe为Fe的摩尔质量，单位为g/mol；

S32：根据主要反应方程式可知，参与反应的Fe的摩尔量等于生成FeS的摩尔量，即：

n_Fe＝n_FeS

等价于：

化简得：

S33：建立腐蚀物理量与时间之间的函数关系，可得：

积分得到：

采用边界条件：t＝0，Li＝Lb代入解得C＝0；

S34：将已腐蚀层占初始金属厚度值定义成金属的平均腐蚀率X：

计算金属平均腐蚀率X与时间t的函数关系：

其中，V_Fe为Fe的摩尔体积，m³/mol×10³；V_FeS为FeS的摩尔体积，m³/mol×10³；

步骤S4中，所述根据电站锅炉水冷壁的安全运行要求，建立腐蚀寿命评估准则，计算出指定情况下水冷壁金属基体的最大寿命的过程包括以下步骤：

根据电站锅炉水冷壁的安全运行要求，计算得到对应的高温腐蚀的评估准则阈值Φ，当金属的平均腐蚀率X大于Φ时，认为锅炉水冷壁金属已超过使用寿命，面临水冷壁爆管的风险；

令X＝Φ，计算得到对应安全运行要求下，锅炉水冷壁金属安全使用的最大寿命值。

2.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法，其特征在于，所述高温腐蚀的评估准则阈值Φ的影响因子包括管道拉应力或压应力参数、温度参数、腐蚀介质中除FeS之外的其他已知腐蚀性气体的浓度。

3.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁高温腐蚀预测及寿命评估方法，其特征在于，所述方法还包括：

结合水冷壁金属的服役时间和局部的参数条件，估算得到水冷壁金属基体的腐蚀程度。

Images