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      哈氏腐蝕合金在FGD系統應用中的幾點討論
      發布日期:2022-07-14
      1.0綜述
      中國近幾年發展迅猛,電力短缺,特別是發達地區電力短缺成為抑制經濟發展的瓶頸。隨著燃煤火電廠在中國大量的興建,這一問題將得到一定改善。而由煤燃燒產生的污染問題,也 成為民眾關注的焦點問題。國家為此也出臺了專門的政策,規定在兩控區的火電廠必須安裝脫硫脫硝裝置。由于脫硫裝置(FGD系統)屬于環保投資,不產生效益,因此在早期投資的脫硫 裝置中,大量應用了非金屬防腐材料(涂料,樹脂鱗片等)來減少初期投入。但隨著大家環保 意識的增強以及非金屬防腐系統逐漸產生的高昂維護費用和非計劃停電損失使得越來越多的電廠開始使用高鎳耐腐蝕合金,特別是哈氏耐腐蝕合金。本文將針對哈氏耐腐蝕合金的選材,加 工及應用實例進行討論。
      2.1哈氏耐腐蝕合金的選材
      整個FGD系統,包括從鍋爐尾氣入口到煙囪排煙,中間經過清洗、除霧、換熱等等,并非 所有位置的腐蝕情況都一樣。而且不同的工藝設計,也影響到具體位置材料的選擇。其中,入口位置是公認最為腐蝕的位置,通常都會使用Hastelloy® C系列合金。Hastelloy®是美國哈氏合 金國際公司(Haynes International Inc.)的注冊商標,在國內俗稱為哈氏合金。這是由于入口干 濕結合面上酸的濃度相當高,而PH值就很低,腐蝕性相當強。同時由于原煤通常含有一定的 氯化物和氟化物,燃燒產生的煙氣中就會含有氯離子和氟離子,會對鐵基合金(超級奧氏體不 銹鋼,雙相鋼等)產生嚴重的腐蝕。因此,絕大多數電廠脫硫系統的入口煙道都選用了哈氏合金。
      哈氏C系列合金屬于Ni-Cr-Mo合金。從Ni-Cr-Mo合金的發展歷史來看,早在上世紀40 時年代哈氏合金C就問世了。哈氏合金C-276是上世紀60年代發明的,但由于它焊縫處的耐 腐蝕性明顯不如母材,當環境的腐蝕性較強,尤其是遇到點蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕的時候,焊接區域的弱點就顯現出來了。這些情況在原煤含硫含氯較高的電廠脫硫系統中表現得較為明 顯。因此,美國哈氏合金公司(Haynes International Inc.)在多年研發后于80年代發明了 C-22 合金。C-22通過調整化學成分,達到更穩定的晶體結構,使它在焊接狀態下仍然能夠維持極佳 的抗腐蝕性能。當然,C-22®的母材本身也具有比C-276更優秀的抗腐蝕能力(圖1)。尤其是 在FGD系統的環境中,C-22能表現出更優異的耐均勻腐蝕和局部腐蝕能力。在90年代發明的 合金當中C-2000合金化程度相當高,性能優異,是目前最新型的哈氏C系列合金。各種合金 的主要成分見表1。
      所有的工程都會考慮經濟性的問題,FGD工程也一樣。因此,性價比成為選材的一個關鍵 因素。在以上的Ni-Cr-Mo合金當中,C-22C-276的價格相同,而其他新型的Ni-Cr-Mo合金都 要高一些。同時,C-22的比重(8.69g/cm3)相對C-276 (8.89g./cm3)來說還輕了一些。使用同樣數量材料的時候,C-22的總價就要低一些。更重要的是,C-22在國外電廠FGD系統中廣泛應 用,表現優異。在美國某些電廠中的壽命甚至是C-276的兩倍,迄今已使用十多年。國內一些 有經驗的工程公司也開始認識到C-22的優勢,替代C-276應用于國內電廠。因此,C-22合金對 FGD系統防腐來說是性價比極高的材料,完全可以替代C-276合金。
       1 主要化學成分
      合金
      Ni
      Cr
      Mo
      W
      Fe
      Si
      C
      其他
      Hastelloy® C-22®
      余量
      22
      13
      3
      3
      0.08[1]
      0.010*
      V:0.35*
      Hastelloy® C-276
      余量
      16
      16
      4
      5
      0.08*
      0.010*
      V:0.35*
      Hastelloy® C-2000®
      余量
      23
      16
      -
      -
      -
      -
      Cu: 1.6
      *為最大值
       
      2.2   哈氏合金薄板襯里
      雖然哈氏合金有著其他材料所無法比擬的綜合耐腐蝕性能,但它的價格通常會讓很多用戶望而卻步。在FGD系統的很多位置,不銹鋼會遭到嚴重腐蝕,但哈氏合金卻可能十年的腐蝕都 不到1mm。如果使用哈氏合金僅僅只是為了設備的強度和剛度,那就非常浪費了。這時候有人就會選擇使用爆炸復合板。但是,由于FGD系統通常是運行在正壓或者常壓條件下的,所以我 們還可以運用薄板襯里技術。在這個技術中,我們將薄板焊接在不同的基材上來形成一個不漏的防腐蝕保護層。這種加工方法是非常簡單的,既不需要特殊工具、設備,也不需要高度受訓 的工人。這種安裝中最重要的一個特點就是在密封焊時焊接金屬一般不會由于基材而造成焊縫合金化程度下降,因為所有密封焊都是在合金與合金之間展開的。另外,這種制造技術大大的 降低了制造時間,因為用薄板一張一張疊起來是相當簡單的。
      我們將用Hastelloy® C-22合金1.6mm薄板為例講述薄板襯里技術制造要點:
      設計安裝方案
      按照圖3所示,用作襯里的薄板并不是拼接而是搭接在一起的。一般,我們推薦25mm的搭邊 量。因此,在設計安裝方案及排料時,必須要考慮進去。另外,在各個轉角,需要設計形狀相符的薄板;在和基材連接的尾端,可能需要安裝膨脹連接器。一般先完成邊墻和天花板的安裝, 然后才是地板。
      預先制定焊接工藝
               焊接工藝是這種技術最關鍵的部分。GMAW (金屬極弧焊)是這種技術中最常用的焊接工藝, GTAW (鎢極弧焊)和SMAW (手弧焊)也可以使用,但焊接效率較GMAW來的低一些,不 利于大面積的焊接。
              保護氣的選擇是焊接工藝開發上的重要因素。在自動焊中使用的較多的是90%氦氣+7.5%氬氣 +2.5%二氧化碳(A-1025),這種保護氣有一定氧化性,但電弧穩定性高。另一種75%氬氣+25% 氦氣的保護氣沒有氧化性,焊縫平整,但電弧穩定性低。Haynes International公司生產的 NiCoBnte™保護氣在這兩方面達到了很好的平衡,是協同系統中很好的選擇。(具體焊接參數請聯系美國哈氏合金國際公司)
      在工廠剪切,打洞,對薄板進行粗加工
              薄板上需要打洞進行塞孔焊,在棱和角上的薄板需折起來,如果能在工廠進行這些工作,就可以在現場安裝時省卻很多的時間。因為薄板是疊放的,所以不需要對齊接角??梢越徊姣B放完 成密封焊不需要精確切割合金薄板。有一個或者兩個角為90度的預成型薄板,就可以很合適地安裝在天花板或者地板上,如圖4, 這樣就消除了棱成型安裝的問題。斷續角焊縫和板中央附接可以使薄板固定在天花板上,而邊墻上的密封焊從完成的棱上開始。其中,是一個90度彎角的薄板,上面打孔來安裝膨脹連接密封器。
               在一般情況下,C-22®薄板的延展性是非常好的(拉伸延伸率可達50%)。這樣,部件冷成型也是沒有問題的。當彎曲弧度達到一倍的壁厚時,都不會產生開裂和撕裂。一般來說,冷成型的薄板要在冷加工的條件下安裝。任何對合金薄板的熱加工必須要進行固溶處理來還原材料的抗 腐蝕能力。
      基材表面處理
              如果是舊的設備,附接合金薄板前必須要徹底清潔基材。一般都是先用噴沙磨掉腐蝕的基材表面,然后用清水清洗。噴沙和清洗可以打開腐蝕坑,沖洗掉腐蝕產品和污垢。
      在一個新的設備中,一般使用噴沙或者輕微打磨基材除去重銹或者氧化層。這些只是針對合金和基材焊接的區域進行的。
      將薄板附接到基材
              上在安裝過程中,我們可以看到兩個清晰的焊接狀態。第一個是薄板結構附接在基材上。接著是合金薄板通過周邊密封焊來達到密封結構。薄板和基材通過斷續焊結構附接。這些焊縫一般長 25mm,間距 150mm。(見圖 3)
      應該注意到,所有襯里系統的結構強度都是來自于薄板和基材之間的斷續角焊縫。結構焊接的 強度見表2、3。因此,高質量的焊接是必要的。最好的是能和基材平整焊接的焊接技術。如果不能達到,建議在搭接基板之前,角焊縫要和合金薄板底面齊平。這會對薄板之間保持親密貼 合有好處。因為要安裝附加薄板,薄板之間交疊公稱25mm。要在結構角焊縫焊接中固定位置, 需要合金與合金之間的固定焊。
      焊接之前,一般要清潔基材和合金板材,去除油脂,油,腐蝕產品,水垢/沉淀物,水和其他污 染物。至少要求進行類似焊接不銹鋼的操作。在加工哈氏合金板材時,不需要使用不銹鋼工具和刀具。一般在焊接和通常的清理操作中使用不銹鋼絲的刷子。
      使用板中央附接能夠通過薄板和基材之間的結構焊供給了襯里系統一個額外的結構強度和剛 度。在許多安裝中,用的都是一排塞孔焊沿著1219mm寬薄板,位于中間600mm處。在正壓力 的情況下,這些附加結構焊接的結合并不是必須的,由設計者決定。通常,塞孔焊有以下3種 方式。這些方式是:一,直接塞孔焊;二,塞孔焊上面蓋一層焊接金屬;三,用密封焊焊一塊蓋板在塞孔焊上。使用這些方式得到的抗腐蝕性能見表4。
      全面密封焊
               在合金襯里結構附接到基材上后,在搭接的板上要用密封焊。密封焊不僅提供了結構強度,而且還能形成了一個不泄漏的系統。就像在前面幾節中提到的,搭接的薄板要用可靠的固定焊加以固定,這樣結構角焊縫才能完成。 在密封焊之前,需要附加固定焊來保證兩塊搭接的薄板緊密貼合。這些固定焊通常非常小,大約6mm長,間距75mm。間隙過大或者兩塊搭接薄板之間的空隙會增加密封焊損壞的可能,可能最終造成系統泄漏。一定要在進行連續密封焊之前打磨刨薄這些固定焊。固定焊只要在密封 焊時足夠使薄板之間緊密貼合就夠了。這些焊縫越大,密封焊就越困難。還要密封焊的起頭和收尾都要打磨刨薄。需要強調的是密封焊的腐蝕通常是在起頭,收尾或者固定焊的地方出現的。 謹慎制定焊接工藝會大量的減少修理成本。
      檢驗
              無損檢驗(NDE)是這項制造工藝中最重要的部分。一定要注意,密封焊只能焊一道,因此任 何熔深不足或者其他焊接缺陷都可能造成襯里系統泄漏。建議在基材上安裝可以滴水的洞,這樣就可能及時監測和修理襯里系統的滲漏。

         肉眼檢查可能查出80-90%的焊接缺陷。建議在使用NDE測試之前仔細的用肉眼觀察,修理被 懷疑的焊道會很快,而且不用擔心NDE測試液的污染染料滲透劑或者真空盒皂液)。

      當前,真空滲漏測試方法似乎是最精確的,性價比最高的(因為最常用的測試。這是因為測 試的靈敏度(檢測泄漏存在的能力)高和速度較快。液體染料滲透劑檢驗是另一種可選擇的方 法,可以應用在真空盒無法進入的小區域。

      檢修

      GTAW,GMAW或者SMAW焊接工藝可以用作密封焊缺陷的修理。GTAW焊接工藝被認為是最適合的。使用GTAW焊接工藝的修理可以使用也可以不使用焊材,這取決于缺陷的長度。小 的低熔深缺陷可以重新熔化洗刷掉,不會有問題。需要打磨的大的區域可能需要附加焊材。

       

      臨界點蝕溫度 氧化性鹽酸溶液 (11.5%硫酸+1.2%鹽酸+1%氯化鐵+1%氯化銅)
      板中央附接方法
      臨界點蝕溫度。C
      變形 HASTELLOY C-22
      120
      帶密封焊補丁的塞孔焊
      100
      兩層的塞孔焊
      85
      塞孔焊(一層)
      75-85
      弧點焊
      80
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
      2.2應用實例
      脫硫在中國還是剛剛起步,雖然已經有相當多的電廠安裝了FGD系統,但運行時間也就幾 年時間。相比之下,國外從七八十年代就開始脫硫項目的建設和運行,擁
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