鍋爐管壁的損耗機理研究
研究表明,當氫氧根離子產生的堿度較高時,在管道表面形成的磁鐵礦堅硬、致密且易附著,而當氫氧根離子濃度較低時,磁鐵礦是多孔的。當多孔沉淀物存在時,氫氧根離子容易在沉積物之間聚集,形成典型的游離苛性堿層腐蝕模型。
Sweeton等人研究了磁鐵礦溶解性與pH、溫度的關系,表明在酸性或中性條件下,溫度升高時磁鐵礦溶解性將降低,但堿性增加,溶解性提高。Garrels和Christ也指出,相對于含鐵硅酸鹽,磁鐵礦并不穩定,如果水溶液中含有鐵反應所需要的足夠二氧化硅,將形成含鐵硅酸鹽而不是磁鐵礦。當水中含鹽量高時,鈉與含鐵硅酸鹽反應生成NaFe(SiO3)2。碳酸氫鹽和磁鐵礦或鐵元素直接反應生成復雜的溶解產物,可能是鐵的另一來源。
管壁的損耗機理在Coalinga油田,蒸汽鍋爐內每發生3%的二氧化硅消耗,即對應于形成818lbm/D二氧化硅或34lbm/D的NaFe(SiO3)2沉淀。這些細小顆粒可能會沉積在磁鐵礦的薄層上,或隨非汽化水、蒸汽從鍋爐出口流走。沉積可能發生在受熱彎管的最后一段及管線出口處。因為管線不是直接暴露在火焰上,造成這些部位的管線外側比內側溫度低。磁鐵礦腐蝕膜受攜帶顆粒劇烈沖擊而產生持續沖蝕,是U型管、彎頭處出現管壁損耗的原因,這些攜帶顆粒就是從蒸汽鍋爐出口流出的固體。
在焊口和變徑處,或者當蒸汽鍋爐突然關閉或開啟時,非汽化水膜流動會出現湍流,而湍流會使沖蝕加速進行。垢沉積后,管道內壁變得粗糙。隨著蒸汽量增加,非汽化水膜厚度減小,垢或腐蝕物沉積形成的松軟層,被蒸汽高速運移13in直徑管在壓力高于800lb/in2(G)時達到45ft/s2.這些顆粒在蒸汽渦輪超熱處造成沖蝕作用,它們的沖擊性能僅次于吹砂機的切割性能。
Selmer-Olson通過讓三相(氮、砂、水)在管線、U型管、彎頭處的流動,在實驗室研究氣井中的沖蝕/腐蝕作用。他肯定了沖蝕/腐蝕、垢沉積的發生,指出在模擬的接口、彎頭處流體受阻礙而出現的湍流,對沖蝕作用的影響要比氣體、液體、砂注入速率影響大很多。他還觀察到提高溫度和CO2分壓,沖蝕/腐蝕作用將明顯增大。
上述結論與Coalinga油田蒸汽鍋爐管道發生破壞的原因相符合。就是說,給水中高含量二氧化硅、CO2、硫化物和硬度降低(軟化劑作用)共同作用,造成垢、腐蝕產物的形成,這些物質隨流體高速運動,對U型管和彎頭造成沖蝕。
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