摘　要：分析燃用高含硫燃油锅炉固定管箱式空气预热器的腐蚀失效原因。针对腐蚀失效原因，换热管采用外镀搪瓷处理，采用活动管箱式结构，换热管与箱体板连接处采用迷宫密封套进行密封，提高了空气预热器的抗腐蚀能力。

关键词：高含硫燃油  锅炉  空气预热器  抗腐蚀  迷宫密封套

Corrosion-resistant Design of Air Preheater in Boiler Burning High-sulfur Oil

Abstract：The causes for corrosion failure of fixed tube box-type air preheater in boiler burning high-sulfur oil are analyzed．For these，the heat exchange pipe is enameled outside，an activity tube box-type structure is used，and the junction of heat exchanger pipe and box plate is sealed by labyrinth seal，so the corrosion resistant capacity of air preheater is improved．

Key words：high-sulfur oil；boiler；air preheater；corrosion resistance；labyrinth seal

随着我国炼油化工企业大量加工由中东及中亚进口的高含硫原油，燃油锅炉所使用的燃料性质不可避免地发生变化。燃油中硫含量的升高，势必使燃油锅炉尾部产生严重腐蚀甚至失效，缩短使用寿命^[1]。本文对燃用高含硫燃油锅炉空气预热器的抗腐蚀设计进行研究。

1　空气预热器腐蚀失效原因分析

①背景

某炼油化工企业燃油锅炉在20世纪70年代投入运行，空气预热器采用整体焊接的固定管箱式结构(见图l)，换热管材质为20号钢，在运行初期所燃用的燃料基本符合设计要求，使用寿命为3～5年。随着燃油中硫含量的增加，空气预热器使用寿命逐渐缩短，到1993年连续使用时间仅为2～3月，严重影响锅炉的正常运行^[2]。换热管主体腐蚀情况见图2，换热管根部断裂情况见图3。鉴于这种情况，该企业组织相关技术人员成立课题小组，对空气换热器的失效原因进行分析并进行技术改造。

②腐蚀失效原因分析

对于管箱结构的空气预热器，空气在换热管内流动，烟气在换热管外流动。由于烟气中S0，极易与烟气中的水蒸气形成硫酸蒸气，当换热管管壁温度低于酸露点时，硫酸蒸气在换热管外壁凝结，造成酸露点腐蚀。加之换热管一般为错排布置，易导致换热管外壁结垢。

在管箱外壁附近(换热管根部)，由于散热损失较大，使得硫酸蒸气极易在换热管根部凝结，产生严重的酸露点腐蚀。对于采用整体焊接的固定管箱式结构的空气预热器，换热管根部受焊接热影响作用，抗腐蚀性能大幅下降，最终导致换热管根部处发生腐蚀断裂。

根据以上分析，课题小组选用抗腐蚀性能较高的ND钢(09CrCuSb)对换热管进行改造，仍采用整体焊接的固定管箱式结构。但改造后，5～10个月换热管根部再次出现了断裂。不但使用寿命没有有效延长，而且由于ND钢的价格较高，导致成本急剧增加。

由此可见，不论采用20号钢还是ND钢，换热管根部断裂情况并未得到根本改善，因此应从空气预热器结构上寻找腐蚀失效原因。由于烟气在空气预热器换热管外垂直于换热管流动，加之换热管长度比较长(长度为2.3m)，在烟气作用下，换热管必然产生垂直于换热管中心线的交变应力，由于换热管根部受强制约束，因此在焊接部位的交变应力比其他部位大。加之换热管根部易发生酸露点腐蚀，以及焊接热影响区抗腐蚀能力下降，最终导致换热管根部腐蚀断裂。

2　技术改造

为降低成本，经过分析研究，决定选用抗腐蚀性能高且价格低的复合管材——20号钢管外表面镀搪瓷，采用端面填料函密封的活动管箱式结构(见图4)。

镀搪瓷钢管穿入箱体板中，压板挤压柔性石墨密封圈，以填充箱体板与换热管间的填料函起到密封作用。与整体焊接的固定管箱式结构相比，这种结构一是可以削弱换热管根部承受的交变应力，二是可有效避免焊接导致的管道抗腐蚀性能的降低。经过技术改造，使用寿命提高到l0～12个月。虽然技术改造后空气预热器的使用寿命有了一定延长，但效果仍不理想。通过现场勘察，技术改造基本杜绝了换热管主体的酸露点腐蚀，腐蚀主要发生在换热管与箱体板、柔性石墨密封圈接触的部位(见图5)。通过对换热管腐蚀部位的金相组织(见图6)分析发现，腐蚀成因为典型的缝隙腐蚀^[3-4]。

由于安装时的误操作，以及烟气流动冲击和热胀冷缩，造成搪瓷层与箱体板及柔性石墨密封圈摩擦，常造成搪瓷层出现一些细小的裂缝。正是这些细小裂缝的存在，使得硫酸蒸气凝结液滞留在其中，造成缝隙内金属的腐蚀。

缝隙腐蚀主要是氧浓差电池与闭塞电池联合作用造成的。在金属材料蚀孔形成之后，蚀孔内金属处于活化状态，而蚀孔外的金属表面仍处于钝态，主要反应为：

蚀孔内部(阳极反应)：

Fe®Fe²⁺+2e^-

蚀孔外部(阴极反应)：

O2+H2O+2e^-®2OH^-

蚀孔口边，pH值增高，产生二次反应：

Fe²⁺+20H^-®Fe(OH)2

Fe(OH)2+H2O+O2®Fe(OH)3

Fe(OH)3沉积在蚀孔口边形成多孔的蘑菇状壳层，造成蚀孔内外物质交换困难。蚀孔内介质相对蚀孔外介质呈滞流状态，使蚀孔内氧浓度继续下降，而蚀孔外富氧，从而形成氧浓差电池。氧浓差电池的作用加速了蚀孔内金属不断离子化，使蚀孔内Fe²⁺浓度不断增加，为保持电中性，蚀孔外酸根离子向蚀孔内迁移并与蚀孔内Fe²⁺形成可溶性盐，并随着浓缩、水解等过程使孔内pH值下降(可达2～3)，腐蚀以自催化酸化过程不断发展，即闭塞电池作用。蚀孔底部由于蚀孔内的酸化、H⁺去极化的发生及蚀孔外氧去极化的综合作用，加速了蚀孔底部金属的腐蚀速率，从而使蚀孔不断向纵深迅速发展，一般在很短时间内可蚀穿金属层。

综上所述，虽然端面填料函密封的活动管箱式结构进一步延长了空气预热器的使用寿命，但仍存在缺陷。主要表现为换热管与箱体板、柔性石墨密封圈接触部位的缝隙腐蚀，从而影响空气预热器的使用寿命，因此须对端面填料函密封的活动管箱式结构进行更加完善地改造，从本质上消除缝隙腐蚀的发生。

经研究，认为采用非金属材料的迷宫密封结构可以有效消除缝隙腐蚀的发生，迷宫密封活动管箱式结构见图7。镀搪瓷钢管穿入迷宫密封套中(内环面加工有迷宫锯齿槽)，迷宫锯齿槽与钢管外表面形成若干道迷宫腔，从而实现了密封。迷宫密封活动管箱式结构不但具有端面填料函密封的活动管箱式结构的优点，还由于换热管与箱体板之间有柔性迷宫密封套隔离，避免了在安装、运行过程中对搪瓷层的破坏，从本质上消除了缝隙腐蚀的发生^[5]。经技术改造后的空气预热器，连续运行2年后运行状况依然良好，箱体板及换热管各部位基本上没有发生腐蚀(见图8、9)。

3　技术经济性分析

自2005年采用迷宫密封活动管箱式结构以来，空气预热器运行平稳，使用寿命已经超过6年，为炼油化工企业的长期稳定运行提供了保障。

按单纯改善换热管材质考虑，当换热管采用20号钢时，一组管箱(整体焊接的固定管箱式结构)的制造安装费用为2.85×10⁴元。当换热管采用ND钢时，一组管箱(整体焊接的固定管箱式结构)的制造安装费用为6.96×10⁴元。后者的制造安装费用为前者的2.44倍，但使用寿命并未明显延长，最长为5～10个月。

采用端面填料函密封的活动管箱式结构时，一组管箱的制造安装费用为7.64×10⁴元。采用迷宫密封活动管箱式结构时，一组管箱的制造安装费用为13.52×10⁴元。前者的使用寿命为l0～l2个月，后者的使用寿命为6年以上。因此，在满足使用寿命的前提下，采用迷宫密封活动管箱式结构的空气预热器的技术经济性可以接受。

参考文献：

[1]徐通模，金定安，温龙．锅炉燃烧设备[M]．西安：西安交通大学出版社，1990：1-40．

[2]赵钦新，惠世恩．燃油燃气锅炉[M]．西安：西安交通大学出版社，2000：2-27．

[3]化学工业部化工机械研究院．腐蚀与防护手册[M]．北京：化学工业出版社，1991：1-30．

[4秦国治，丁良棉，田志明．管道防腐蚀技术[M]．北京：化学工业出版社，2003：1-14．

[5]白庭河，徐文豪，杨晓霖，等．燃油燃气锅炉尾部灰斗腐蚀机理及解决方案[J]．煤气与热力，2011，31(1)：A01-A03．

本文作者：白庭河  杨晓霖  俞树荣

作者单位：兰州石化公司

  兰州理工大学