电厂化学腐蚀与防护基础

第二章电力设备的材料及腐蚀特点2.1火力发电设备2.2水在火力发电厂的作用和影响2.3电力设备的材料及常见的腐蚀形式2.4金属材料的分类及热处理工艺化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering腐蚀基础知识•腐蚀是由于材料与环境反应而引起材料的破坏或变质。•金属腐蚀是金属或合金与周围接触到的气体或液体等环境反应而引起金属或合金的破坏或变质，金属的腐蚀环境一般是指材料所处的介质、温度和压力等。•腐蚀的过程是在发生在金属与介质界面上的复杂多相反应，其破坏总是由金属表面逐渐向内部深入。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering•目前的主力机组装机容量为600MW，典型配置包括：锅炉采用直流锅炉或亚临界自然循环燃煤汽包锅炉、汽轮机采用一次中间再热、双缸双排汽式汽轮机、发电机采用水-氢-氢冷发电机•火电厂的主要设备包括锅炉、蒸汽机和发电机三大件，还包括省煤器、过热器、再热器、凝汽器、高压加热器、低压加热器和除氧器等•根据锅炉压力的不同，可将发电机组分为八个级别，即低压、高压、超高压、亚临界、超临界和超超临界等2.1火力发电设备化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering火电厂只要设备及流程图化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering常见锅炉机组、容量及用途压力级别超高压亚临界超临界超超临界锅炉型式自然循环直流锅炉自然循环强迫循环直流锅炉直流锅炉直流锅炉饱和蒸汽压力（MPa)15.717.6≥22.0≥25.0温度(℃)343355374.2374.2过热蒸汽压力（MPa)13.716.5≥22.0≥25.0温度(℃)510~540530~550560~590570~610蒸发量（t/h）410~670850~20501050~3001900~4000发电机组（MW）125~200250~600300~1000600~1200化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering凝汽式发电厂水、汽循环系统•在火力发电厂中，锅炉、汽机及附属设备组成了热力系统，热力系统中的各种热交换部件或水汽流经的设备，如锅炉的省煤器、水冷壁管、过热器、汽轮机、各种加热器、除氧器和凝汽器等，统称为热力设备。水和蒸汽是热力设备中的工质，在热力系统中循环运行。如右图所示化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering2.2水在火力发电厂的作用和影响•水在火力发电厂的生产工艺中，既是热力系统的工作介质，也是某些热力设备的冷却介质。故水质的好坏是影响电厂安全经济运行的重要因素•水处理工作的主要任务是：一是制备二级除盐的补给水；二是对锅炉内的水汽进行化学监督和化学处理。消除因水质不良引起的危害，保证电厂安全经济地运行•火力发电厂锅炉机组的参数越高，其热能利用率越高，经济性也越好，对于其水质的要求也就越高化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering高参数机组的水质尤为重要，这与其特点密切相关：1、为节约金属消耗量，提高蒸汽产率，锅炉局部热负荷的设计值高2、合金材料经热处理后，对蒸汽纯度敏感，易引起腐蚀龟裂3、各类盐在蒸汽中的溶解度，随着蒸汽参数的提高而增大如果进入系统中的水水质不良，就会导致：结垢（如炉管）、腐蚀（如给水管道、加热器、省煤器、凝汽器）、积盐（如过热器、汽轮机叶片）化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering汽水品质不合格的危害性在火力发电厂中，如汽水品质不符合规定，则可能引起以下危害。1、热力设备的结垢•如果进入锅炉的水中有易于沉积的杂质，则在其运行过程中会发生结垢现象。垢的导热性为金属的1/10~1/100，而且它又极易生成在热负荷很高的部位，所以垢对锅炉的危害性很大。它可使金属壁温过高，引起金属强度下降，以致使锅炉的管道发生局部变形、鼓包，甚至爆管。而且，垢还会降低锅炉的传热效率，从而影响电厂的经济效益。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering2、热力设备的腐蚀•高参数热力设备的腐蚀，是因为有一种或几种因素的存在：如碱性或酸性介质的形成；有将杂质含量从μg/L级或mg/L级浓缩至百分数级的过程；有对腐蚀敏感的材料；有拉应力。•腐蚀不仅会缩短设备本身的服役期，而且由于金属腐蚀产物转入水中，成为炉管上新的腐蚀源，同时使给水中杂质增多，促进了炉管内的结垢过程，结成的垢转而又加剧炉管的腐蚀，形成恶性循环。如果金属的腐蚀产物被蒸汽带到汽轮机中，则会因它们沉积下来而严重地影响汽轮机的安全和运行的经济性。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering3、过热器和汽轮机内积盐•水质问题还会引起锅炉产生的蒸汽不纯，而使蒸汽带出的杂质沉积在蒸汽的通流部位，如过热器和汽轮机，从而产生积盐现象。•过热器管内积盐会引起金属管壁温度过高，以致爆管；汽轮机内积盐会大大降低汽轮机的出力和效率。当汽轮机叶片内部积盐严重时，还会使推力轴承负荷增大，隔板弯曲，降低汽轮机工作效率或造成事故停机。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering3.2电力设备的材料及常见腐蚀形式电力设备的材料及特点•制造电力设备的主要金属材料是碳钢，有些部件采用合金钢。加热器和凝汽器主要采用铜合金。1、锅炉钢管用钢应具有下述特性：较高的耐腐蚀性、良好的塑性、优良的焊接性和足够高的机械强度。对于温度高于400～450℃的设备，还要具有抗蠕胀性。•蒸汽温度在450℃以下低压锅炉钢管，主要选用10号、20号优质碳素钢；壁温低于500℃的过热器管，一般采用20号钢。由于奥氏体钢价格昂贵，工艺性比珠光体耐热钢差，所以，当前国内外机组的蒸汽参数，一般都在570℃以内、2.74～23.52MPa的水平上以保证锅炉运行时。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering2、汽机叶片材料应有足够的常温和高温机械性能、良好的抗震性、较高的组织稳定性、良好的耐蚀性及冷、热加工工艺性能。叶片用钢主要是铬不锈钢1Cr3、2Cr13和强化型不锈钢Cr11MoV、Cr12WmoV、CrWMoNbVB等。3、汽机主轴、叶轮的材料要求综合机械性好，有一定的抗蒸汽腐蚀的能力。对高温下运行的叶轮和主轴，还要求有足够高的蠕变极限、持久强度、持久塑性和组织稳定性，有良好的淬透性、焊接性能等工艺性能。材料主要是中碳钢和中碳合金钢，如35号钢、34C℃、35CrMoV、20CrWMoV等。4、加热器和凝汽器所用的管材，要求传热性能好、一定的强度和良好的耐腐蚀性能。为了提高凝汽管的耐蚀性能，现多采用加砷管，如H68A、HSn70-1A、HA177-2A等。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering热力设备的腐蚀形式•目前，大容量、高参数的机组大量投产，600MW的机组已成为火电厂的主力机组。随着炉外水处理技术的发展，锅炉结垢和汽机积盐问题已得到有效控制，腐蚀已成为突出的问题•热力设备在运行中或停用时，各种腐蚀性成分会对设备产生严重的腐蚀。根据运行实践，国内外火电厂和核电站的各种热力设备，比如火电厂的锅炉、核电站的蒸汽发生器、汽轮机、凝汽器、加热器、给水泵、水处理设备以及各种水、汽管道，均发生过比较严重的腐蚀。热力设备的腐蚀形态也比较多，例如点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀破裂、腐蚀疲劳、氢脆、选择性腐蚀、电偶腐蚀以及磨损腐蚀等。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering•电力设备所遭受的腐蚀主要包括：1、氧腐蚀热力设备运行和停用时，都可能发生氧腐蚀，运行氧腐蚀在水温较高的条件下发生，停用氧腐蚀在低温下发生。是热力设备常见的一种腐蚀形式。2、酸腐蚀热力设备和管道可能与酸接触，产生析氢腐蚀。导致酸性腐蚀的酸性物质可能的来源右如下几个：水处理设备，例如氢离子交换器再生时的盐酸；精处理设备中破裂的树脂进入到锅炉，高温分解产生酸性物质；给水系统除碳不完全或凝结水系统泄露带入的游离CO2，水解产生H+。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering3、应力腐蚀它包括应力腐蚀破裂和腐蚀疲劳。无论是锅炉还是汽轮机，都会产生应力腐蚀。比如锅炉的苛性脆化、汽轮机叶片的应力腐蚀破裂、汽轮机叶轮的应力腐蚀破裂和凝汽器铜管的应力腐蚀破裂等。4、酸性磷酸盐腐蚀酸性磷酸盐腐蚀由于往锅炉内部添加较多酸式磷酸盐而引起的腐蚀。往往随着磷酸盐隐藏和再溶出现象而产生。虽然酸式磷酸盐会使pH降低，但是由于炉水中含有氨，pH的降低可能辨别不出来，加入的Na2HPO4(NaH2PO4)量大，就会引起酸性磷酸盐腐蚀。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering5、锅炉的介质浓缩腐蚀主要是炉水蒸发浓缩产生浓碱或浓酸时出现的，常发生在水冷壁管，它是锅炉特有的一种腐蚀形态。6、亚硝酸盐腐蚀亚硝酸盐在锅内受高温作用会分解产生新生态氧，这种新生态氧和水冷壁管内表面发生反应，产生Fe2O3，使水冷壁管腐蚀。7、汽水腐蚀当过热蒸汽温度超过450℃时，蒸汽会和碳钢发生反应生成铁的氧化物，使管壁变薄。常常在过热器中出现。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering8、核电站蒸汽发生器凹陷（denting）它是水中氯离子所形成的酸性环境对碳钢支撑板腐蚀的果，发生在管板同管子交接处，腐蚀产物是磁性氧化铁。9、电偶腐蚀锅炉化学清洗时，如果控制不当，可能在炉管表面产生铜的沉积，即“镀铜”，即产生电偶腐蚀。10、铜管选择性腐蚀凝汽器铜管的水侧常常发生选择性腐蚀，对于黄铜管就是脱锌腐蚀。导致机械性能显著下降，会引起穿孔甚至破裂。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering11、晶间腐蚀•晶间腐蚀是一种局部破坏现象，是金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界产生的腐蚀。这种腐蚀主要是从表面开始，沿着晶界向内部发展，直至成为溃疡性腐蚀，整个金属强度几乎完全丧失。见右图化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering•晶间腐蚀的特征是：在表面还看不出破坏时，晶粒之间已丧失了结合力，失去金属声音，严重时只要轻轻敲打就可破碎，甚至形成粉状。•晶间腐蚀的产生必须具备两个条件:一是晶界物质的物理化学状态与晶粒本身不同；二是特定的环境因素，如潮湿大气、电解质溶液、过热水蒸气、高温水或熔融金属等。12、磨损腐蚀高速流体或流动截面突然变化形成了湍流或冲击，对金属材料表面施加切应力，使表面膜破坏。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering13、空泡腐蚀空泡腐蚀又叫气蚀、穴蚀。气泡的反复生成和破灭产生很大的机械力使表面膜局部毁坏，裸露出的金属受介质腐蚀形成蚀坑。14、锅炉烟侧的高温腐蚀这主要指锅炉水冷壁管、过热器管及再热器管外表面发生的腐蚀。15、锅炉尾部的低温腐蚀它是锅炉尾部受热面（空气预热器和省煤器）烟气侧的腐蚀，由烟气中的SO3和烟气中的H2SO4造成的。化学与生物工程学院SchoolofchemistryandbiologyEngineering3合金的氧化•合金氧化的类型合金的氧化比纯金属复杂得多。当金属A作为基体，金属B作为添加元素组成合金时，可能发生以下几种类型的氧化：1、只有合金元素B发生氧化2、只有基体金属A氧化3、基体金属和合金元素都氧化化学与生物工程学院Sch