摘要：余热锅炉受热面冲刷和腐蚀是一个绕不开的课题，一旦余热锅炉发生故障泄漏将对生产经营和安全管理带来巨大挑战。本文选取某铜冶炼厂熔炼余热锅炉作为研究对象，开展对故障区域的结构、冲刷和腐蚀的机理以及防止措施进行研究。
关键词： 余热锅炉 弯头 冲刷 腐蚀
引言：有色冶炼过程中将产生大量高温含尘烟气，设置余热锅炉的作用就是要回收冶炼炉高温烟气中的热量加以利用，同时降低烟气温度以满足静电收尘的工艺条件。某铜冶炼厂熔炼余热锅炉上升通道通过过渡段与熔炼炉连接，一旦出现锅炉泄漏，将直接导致停产，且泄漏及处置故障过程中危险性极高，处置时间较长，给生产经营和安全管理带来了巨大影响。
一、概况
该余热锅炉结构形式采用多烟道“几”字型结构，受热面分配集箱和收集集箱布置在烟道外，采用弯管连接集箱和受热面。据统计，该余热锅炉10年来9次故障中7次发生在上升通道后墙与连接段底部连接部位、一通道环形集箱与受热面连接的弯头两个位置。对以上两个部分弯头279个测点测量分析，管子在正常使用一年后壁厚减薄量在0.5mm以上的达到将近50%，壁厚最低值仅为3.26mm。由此可以判断，上升通道后墙与连接段底部连接部位、一通道环形集箱与受热面连接的弯头处均是故障高发区域，同时也是壁厚减薄较快的区域。
通过对该位置处弯头外观检查发现，弯头外壁有一定的冲刷腐蚀痕迹，内壁无明显的腐蚀和结垢。结合弯头本身的结构特性，可以推断该余热锅炉弯头壁厚减薄的主要原因为烟气侧的冲刷腐蚀。
二、冲刷腐蚀机理
冲刷腐蚀又称为磨损腐蚀，是金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象，是材料受冲刷和腐蚀交互作用的结果，是一种危害性较大的局部腐蚀。冲刷腐蚀是一个很复杂的过程，影响因素众多，概括起来主要包括材料、环境和流体力学三个方面。该余热锅炉上升通道和连接段底部弯头内侧为气液两相流，弯头外侧为气固两相流。
1.1气液两相流区域
该余热锅炉采用热力除氧技术对锅炉给水进行除氧，除氧效果良好，水质控制指标较为严格。所以，该余热锅炉水质情况较好。一般来说，锅炉管内侧如果受到氧和二氧化碳等腐蚀介质共同作用，会形式一层氧化膜。高速流体击穿了紧贴金属表面几乎静止的氧化膜，若来不及修复则露出新鲜的活性金属表面，进一步加速腐蚀，使金属不断以金属离子形式溶入液体，从而产生冲刷腐蚀（如图1所示）
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从锅炉管使用后解体的情况来看，锅炉管内径呈均匀的圆管，使用游标卡尺对锅炉管内径测量，内径为27.9mm，基本未被侵蚀（如图2所示）。冲刷腐蚀主要存在于少数弯头部位，且弯头内侧的冲刷腐蚀主要以流体力学冲击作用为主。流体力学因素一般通过改变冲刷强度或传质过程来影响冲刷腐蚀作用。
1.1.1 流速
从流速上分析，低速条件下，流速的提高增加了氧的传质过程，使钝化和再钝化能力提高，金属钝化占主导地位，而冲刷作用相对较弱；随着流速的提高，流体对金属表面产生的剪切力增大，金属腐蚀产物（包括保护膜）在剪切应力作用下被撕开并被冲走，使金属重新暴露出来，从而加速材料的腐蚀。
1.1.2 流态
从流态分析，弯头内侧汽水混合物的流动速度取决于流动方式。在锅炉直管段是流动形式为层流，由于流体的黏度，在沿管道截面有一种稳定的速度分布，速度梯度近乎为零，因此可以不考虑速度梯度影响；而汽水混合物在经过弯头时，流动方向发生急剧变化，流动方式变为湍流，破坏了原来稳定的速度分布，增大了与金属表面接触的汽水混合物的流速，从而加速了冲刷。
1.1.3 冲刷角度
从冲刷角度来说，汽水混合物从直管中通过弯头改变流动方向，以90°的冲刷角度对弯头产生比较大的剪切力，此时主要是对弯头内壁造成疲劳磨损。
1.1.4 颗粒性质
从颗粒性质分析，锅炉管内流体为汽水混合物，蒸汽中含水量比重对弯头的冲击会有所区别。
1.2气固两相流区域
该余热锅炉弯头外侧为气固两相流区域，从历次故障检查和壁厚测量检查结果来看，上升通道烟气侧锅炉管整体都受到了侵蚀。而上升通道和连接段底部弯头还存在冲刷的痕迹，由此，上升通道和连接段底部弯头部位同时受到冲刷和腐蚀的作用。下面就从腐蚀、流体冲刷角度、烟气速度、烟气中颗粒物特性等分别进行阐述。
1.2.1腐蚀
该余热锅炉受到的腐蚀主要是低温腐蚀和高温腐蚀。低温腐蚀特征是会造成受热面大面积的腐蚀，锅炉管壁均匀的减薄，造成低温腐蚀的原因主要是锅炉漏风。高温腐蚀的特征是会造成局部受热面出现溃疡状的腐蚀凹坑，原因是原料中形成的熔融状态的硫酸盐络合物与锅炉管发生化学或电化学反应，从而产生严重的溃疡状腐蚀。就上升通道和连接段底部弯头的情况来看，两个部位均处于不同受热面的连接点，由于受烟气涡流和其他因素的影响，该位置还是存在一定的低温腐蚀。此外，弯头位置未出现溃疡状的腐蚀，基本排除高温腐蚀。
1.2.2冲刷角度
上升通道后墙与连接段底部连接点呈拱背形连接（如图3所示）。在烟气向上流动过程中，将对连接段底部受热面的弯头直接冲刷腐蚀，冲刷角度几乎为90°。在上升通道后墙和连接段底部连接位置处存在相对较大的缝隙，烟气流动过程中极易在该区域产生涡流，烟气对连接点冲刷角度发生改变。一般来说，冲刷角度为20°至50°时，存在凿削式磨损，此时磨损最严重。
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图3上升通道后墙与连接段底部连接结构图
1.2.3烟气流速
根据模拟的烟气流场图，上升通道后墙是该余热锅炉烟气流速最高的区域，烟气流速在10m/s左右，考虑到烟气中含有硬质颗粒烟尘，烟气流速偏高。
1.2.4颗粒物特性
该余热锅炉膜式壁受热面的磨损与烟气中的颗粒物硬度和粒度有很大关系。余热锅炉中烟气含尘率26g/m3左右，烟气中FeXOy 的存在能增加烟尘的硬度，而PbO、SiO2等低熔点物质能加剧烟尘中积灰结渣的发生，使得烟尘粒度增大。
三、冲刷腐蚀控制措施
为保证该余热锅炉设备的稳定性，提高其作业率，必须对余热锅炉的冲刷腐蚀进行控制。
3.1 设计优化
通过再设计，降低烟气流速、减小湍流，消除涡流区域。该方案受制于厂房结构和锅炉结构形式，实施难度较大。
3.2 增加管材厚度
对于本文提到的故障高发区域的弯头增加其壁厚，进行水循环计算复核，该方案可实施性高。
3.3 增加保护装置
可考虑在上升通道后墙与连接段底部连接部位焊接抓钉，采用刚玉钢纤维耐火浇注料将连接部位保护起来，该方法已成功在该余热锅炉上应用。
此外，可对弯头部位堆焊耐腐蚀的硬质金属材料。目前国内比较可靠和成熟的有锅炉管排/管子MIG堆焊技术，对于铜冶炼余热锅炉可以采用INCO625材料，该材料适用高温防腐的区域。当然，受制于材料成本，该堆焊技术整体造价较高，可考虑在重点和故障高发区域使用。
3.4 严格工艺控制
严格控制余热锅炉水质，包括氧气含量、PH值、电导率以及相关的金属离子浓度。
四、结论
该余热锅炉上升通道和连接段底部弯头区域作为设备故障高发区域和壁厚减薄速率较快区域，主要受到烟气侧冲刷腐蚀的作用。为解决该问题，可从烟气流场优化、管材选择、工艺控制和增加保护装置等方面入手。
参考文献
［1］代真、沈士明，流体力学因素对液固两相流冲刷腐蚀影响的CFD模拟 ,石油化工设备,2006,35(6): 20-23.
［2］候祥松、张建胜、王进伟、蒋文斌、邢兴，循环流化床锅炉中水冷壁的磨损原理及其预防,锅炉技术，2007,38（4）:19-24。