В современной энергетике актуальны проблемы высокотемпературной коррозии и коррозионно-эрозионного износа поверхностей нагрева паровых котлов тепловых электростанций. Особую остроту эти вопросы приобретают при сжигании твердых топлив со сложным составом минеральной части и сернистых жидких топлив.

Высокотемпературная коррозия и износ поверхностей нагрева паровых котлов электростанций приводят к ежегодным затратам металла на восстановление и ремонт, загрязнение поверхностей нагрева золовыми отложениями – к снижению их тепловой эффективности и, следовательно, снижению КПД котла.

Интенсивность загрязнения поверхностей нагрева котла золовыми отложениями зависит от многих факторов:
• химического и минералогического состава минеральной части топлива;
• условий ее превращения в топке и газоходах котла;
• условий сепарации частиц золы в топке;
• температуры газа в районе поверхности нагрева;
• температуры наружной поверхности труб;
• скорости газового потока;
• условий обтекания труб;
• фракционного состава летучей золы;
• условий очистки поверхностей нагрева, и т.д.

Загрязнение и коррозию поверхностей нагрева не всегда определяет высокое содержание минерального вещества в топливе, определяющую роль играет именно его химико-минералогический состав.

В основе методики исследования высокотемпературной коррозии и износа поверхностей нагрева паровых котлов приняты следующие положения:
1. минеральный состав сжигаемого топлива считается фактором, определяющим интенсивность и характер высокотемпературной коррозии металла;

2. развитие высокотемпературной коррозии металла рассматривается состоящим из двух принципиально различающихся стадий – первоначальной и основной;

3. износ рассматривается как высокотемпературная коррозия, ускоряющим фактором которой является периодическое разрушение защитной оксидной пленки под действием различных сил, особенно, возникающих при циклической очистке поверхностей нагрева от золовых отложений;

4. учитывается взаимосвязь между скоростью износа поверхностей нагрева и их тепловосприятием, причем связующим звеном является частота очистки последних от золовых отложений.

Основными факторами, определяющими поведение минеральной части топлива при горении, а, следовательно, и параметрами влияющими на свойства золы (с точки зрения загрязнения и коррозии), являются:
• температура горения;
• состав окружающей частицы газовой фазы;
• условия контактирования между отдельными частицами топлива;
• время пребывания частиц в зонах с определенной температурой и составом среды.

Так как эти параметры могут быть в определенных пределах изменены при конструировании топочных устройств или выдержаны при эксплуатации паровых котлов, то превращение минеральной части топлива, а, следовательно, и физико-химические свойства образующейся при горении топлива золы могут быть в определенных пределах управляемы.

Влияние золы на интенсивность коррозии металла проявляется через слои золовых отложений на трубах поверхностей нагрева. На поверхностях нагрева могут возникать разнотипные золовые отложения, поэтому их влияние на интенсивность коррозии различно.

Некоторые компоненты отложений могут значительно ускорить высокотемпературную коррозию металла, в то же время другие компоненты являются инертными или замедляющими коррозию. Ускорителями коррозии сталей являются легкоплавкие комплексные сульфаты и пиросульфаты щелочных металлов (К₂S₂O₇). Весьма активными ускорителями коррозии являются также соединения хлора. В то же время такие компоненты, как оксиды кальция и магния, могут в определенных условиях снижать интенсивность коррозии труб.

Образующаяся в ходе коррозии на поверхности металла оксидная пленка отделяет металл от золовых отложений и газовой среды. Интенсивность и развитие коррозии со временем во многом зависит от свойств оксидной пленки.

Если в ходе коррозии на поверхности металла возникает плотный оксидный слой, то за счет его защитных свойств, процесс коррозии является затухающим во времени.

При образовании на поверхности металла пористой оксидной пленки потери металла в зависимости от времени могут в предельном случае описываться линейной зависимостью.

Утонение стенки трубы в ходе высокотемпературной коррозии во многих случаях достаточно точно (как будет показано ниже) описывается степенным законом следующего вида:

ΔS = Аρ_м^-1τⁿ (1)

где А – зависящий от температуры коэффициент пропорциональности, ρ_м — плотность металла; n – показатель степени окисления металла; τ — время.

Формула (1) является основой определения глубины коррозии труб поверхностей нагрева на данный момент времени при известной температуре металла. Можно решить и обратную задачу – найти допустимую рабочую температуру металла по условиям коррозии, исходя из заданных глубины коррозии и времени.

В условиях работы поверхностей нагрева паровых котлов необходимо учитывать и коррозию внутренней стороны труб. Входящие в формулу (1) коэффициенты определяются экспериментально.

Поверхности нагрева парового котла в ходе эксплуатации покрываются нарастающими со временем золовыми отложениями. Для снижения влияния золовых отложений на теплообмен на котле устанавливаются очистные устройства различного принципа действия. В циклах очистки часто имеет место не только отделение отложений золы от поверхности труб, но и повреждение защитной оксидной пленки на металле, что снижает ее сопротивление и тем самым неизбежно приводит к интенсификации коррозии.

Коррозионный износ, который ускоряется из-за периодических разрушений защитной оксидной пленки на поверхности металла, назван коррозионно-эрозионным и описывается следующим образом:

ΔS = [1 + ξ(B⋅m^1-n – 1)]⋅ΔS’ (2)

где S – глубина износа металла за время τ; ξ — степень разрушения оксидной пленки в циклах силового действия на нее; В – коэффициент, учитывающий влияние первоначальной стадии коррозии на износ; m =τ/τ₀ – количество циклов очистки в течение времени τ; τ₀ – период между циклами силового действия на оксидную пленку; ΔS’ — глубина высокотемпературной коррозии металла; n – показатель степени окисления металла.

С интенсификацией очистки поверхностей нагрева котла интенсифицируется теплообмен, однако ускоряется и коррозионно-эрозионный износ труб. Возникает, таким образом, задача выбора оптимальной схемы и режимов очистки поверхностей нагрева от золовых отложений, в частности взаимосвязи между интенсивностью очистки и условиями ее проведения.

От правильного решения этой задачи зависит в конечном итоге конструкция, режим эксплуатации, а также и технико-экономические показатели котла и энергоблока в целом.

Комментарии запрещены.