纯钛烟道膨胀节在火电湿法脱硫中的研究与应用

一、项目背景

根据国家《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)要求，及《河南省燃煤机组超低排放改造专项行动方案》等各地方法规的要求，2016-2017年各地火电现役机组脱硫排放浓度执行35mg/Nm3，中高硫煤区域火电脱硫机组，为满足这一要求，进行了双塔脱硫改造、单塔双循环改造等，无论哪种方案均不同程度增加了吸收塔气液比，通过洗涤进一步降低了脱硫排烟温度，经调研，部分超低排放机组脱硫后排烟温度已低至45℃，在该温度下，脱硫湿烟气对烟道系统的腐蚀性进一步加强，对脱硫烟道防腐性能提出更高要求，尤其是烟道膨胀节位置，调研发现，国内绝大多机组选用非金属蒙皮+框架的形势作为湿烟道膨胀节，因材质、打孔、防腐工艺、安装工艺、启停机热胀冷缩等各种原因，多数电厂脱硫湿烟道膨胀节存在不同程度的腐蚀渗漏情况。

华电漯河发电有限公司(简称漯河公司)湿烟道膨胀节自投产以来，同样遭遇该问题困扰，先后更换了两套蒙皮、一套框架，将框架压板升级为316L材质，均未有效解决湿烟道膨胀节漏水问题。为彻底解决脱硫湿烟道膨胀节漏水难题，2015年末漯河公司成立攻坚克难小组，通过研究脱硫湿烟道的腐蚀机理、钛的防腐蚀性能，对比传统非金属、金属膨胀节及安装工艺优缺点，结合近期钛金属价格大幅下降趋势，漯河公司取长补短，创新性使用纯钛烟道膨胀节，一劳永逸彻底解决烟道频繁漏水难题。

二、脱硫系统、湿烟道膨胀节腐蚀现状分析

火电机组锅炉烟气经静电除尘后，高温烟气(100~150℃)主要含有SO2、SO3、HCl、HF、NOx、烟尘及水汽等成分,经脱硫吸收塔系统喷淋洗涤后,烟气的主要成分为饱和水汽、残余的SO2、SO3、HCl、HF、NOx携带的SO42-、SO32-等,一般认为脱硫烟道发生的腐蚀原因主要有以下三种：1、SO2和SO3引起的化学腐蚀;2、Cl-和F-引起的电化学腐蚀;3、流体冲涮引起的机械腐蚀。

传统脱硫湿烟道膨胀节多选用非金属膨胀节、镍基金属膨胀节，其中以非金属膨胀剂居多，国内多数设计院将脱硫专用非金属膨胀剂编入脱硫设计导则，指导脱硫系统选型及应用。

实际应用中，不管哪种形式的非金属膨胀节，均为法兰连接，分为水平法兰和垂直法兰两种形式，施工过程中，需在烟道上焊接膨胀节框架，在烟道防腐期间对法兰端面进行玻璃鳞片防腐，待玻璃鳞片固化后进行膨胀节蒙皮安装，在蒙皮外侧使用压板压紧，这期间，需多种工序交叉进行，对施工工艺及监督有较高要求，不可避免的出现“法兰—鳞片—压条—蒙皮—压板”这一组合，在压板螺栓安装时，法兰端面玻璃鳞片受螺栓挤压，不可避免的会出现压损、内部开裂等情况。

脱硫系统投运后，随烟气温度变化，受应力影响，膨胀节位移形变，部分电厂脱硫烟道膨胀节会出现“启动漏”现象，重新对压板螺丝进行加固后，能减免泄露情况，但会进一步压损法兰端面鳞片，造成越漏越紧，越紧越漏这一不可逆情况，最终，脱硫烟道法兰端面受烟气渗漏腐蚀，法兰损伤，造成脱硫烟道膨胀节泄露不可修复。

镍基金属膨胀节以316L、2205、2507为主，316L材质膨胀节对SO3及Cl-离子抗腐蚀能力较弱，经调研，在脱硫湿烟道实际使用中，平均寿命不超过两年;2205、2507材质金属膨胀节在国内有不少良好业绩。

三、钛膨胀节性能的可行研究

钛及其合金具有许多优异的性能,钛的熔点高(1668℃)、密度小(4.5g/cm3)、强度大(抗拉强度400MPa～770MPa,钛合金达1800MPa)。钛合金在-250℃～510℃温度下均具有足够的韧性。钛最突出的性能是耐蚀性 ,无论在氧化性环境中,还是在氯化物、硫化物、湿氯等苛刻的腐蚀介质中都表现出良好的耐蚀性。这是因为:(1)钛的致钝电流密度较小, 致钝电位较负,稍具氧化能力的氧化剂就能使其钝化。(2)钛的稳定电位范围较宽,不易形成“过钝化”。(3)钛的钝化态不易被破坏,即使表面被划伤也能迅速修复,所以钛的钝化膜具有很高的稳定性。

钛在管道膨胀节上有较多应用，因其价格昂贵，应用范围较窄，但随着发展,我国完全依靠自身的钛资源及技术力量建立了采选—冶炼—熔炼与加工和研究-生产-应用两个完整的工业体系，钛材的价格以由原来的数十万元每吨，降低到十万多元每吨，与国内镍基不锈钢金属价格基本持平，在制作同尺寸零件时，因钛密度低于镍基不锈钢密度(7.98g/cm3)，用料上重量也有40%以上的节省。

同时因其优越的延展性、韧性，在设计、制作期间，厚度可以控制在2mm以内，比镍基膨胀节节省大量材料，在脱硫烟道区域制作安装钛膨胀节，其综合价位与非金属膨胀节、镍基金属膨胀节持平，综合考虑其优越性能，安装钛膨胀节有较高的优势及可行性。

四、钛膨胀节的创新性应用实施

漯河公司机组装机容量为2*330MW，锅炉型号为上锅SG-1120/17.50-M732，除尘装置采用山西环保电力设备总厂配置双室五电场静电除尘系统，电除尘入口增加低低温省煤器，进一步降低烟温，脱硫系统为石灰石-石膏串联双塔，共配置六层喷淋层、一层合金托盘、五层屋脊式除雾器，设计排烟温度45℃。脱硫系统湿烟道膨胀节原设计均为非金属膨胀节。

随着机组运行，烟道膨胀节多次发生腐蚀泄漏。2016年机组检查发现膨胀节法兰端面腐蚀损坏，螺栓孔腐蚀，已无修复价值，需进行膨胀节整体更换。华电漯河发电有限公司专业技术人员结合烟囱钛板、钛钢复合板施工经验，对比施工难度、造价、使用寿命等因素，综合考虑论证，确定使用纯钛膨胀节作为烟囱入口湿烟道膨胀节，彻底解决烟囱入口烟道膨胀节腐蚀损坏情况。

应用实施过程：①根据原膨胀节设计压力、膨胀余量、安装尺寸进行设计，钛材选用TA2材质，厚度为2mm，膨胀节宽度为300mm，膨胀余量为±50mm，将纯钛膨胀节设计为12段分体式单波纹钛膨胀节，分为4个直角段(∟1000*1000*350)及8个水平段(2000*350)，并委托机加工厂对钛板进行压型制作(图一);②零件到厂后，对焊缝进行100%着色检测;③根据钛对钛、钢对钢的焊接原则，将钛钢复合板钢板侧焊接在烟道内侧，内外满焊并进行焊缝检测;④将钛膨胀节压型板分段焊接在钛钢复合板钢板钛板侧，对焊缝进行着色检测;⑤对钢烟道与钛钢复合板钢板接口位置进行鳞片防腐，及FPR加固，表面刷涂环氧树脂漆进行封闭，整体施工完成(图二)。

图一：钛膨胀节加工零件(图为两台机的材料)

图二：钛膨胀节安装完成及焊缝检验

施工难点：①烟道与钛钢复合板钢板为内插焊接、钛钢复合板钢板与钛膨胀节为内插焊接，在制作安装过程中，应注意尺寸;②所有钛焊接应严格执行焊接工艺质量及验收程序;③钢烟道与钛钢复合板钢板接口位置为薄弱环节，防腐作业期间应进行2mm鳞片作业及2mmFPR作业。

五、钛膨胀节的应用效果

漯河公司钛膨胀节设计、制作、安装造价与非金属膨胀节造价基本持平，2016年6月钛膨胀节施工完成后，连续运行一年，两台机组烟囱入口是烟道膨胀节位置实现全年“零泄露”;2017年7月机组检修，在钛膨胀节连续冲刷运行一年后，漯河公司技术人员对烟囱入口钛膨胀节进行了测厚及外观检查。检测结果显示：分点测厚值与安装值一一对应，钛膨胀节内、外表面光洁如新，钛焊缝饱满完好，无沙眼、开裂迹象，钛膨胀节与烟道接缝位置完好，无腐蚀情况发生，真正实现“零腐蚀、零泄漏”(图三)。实现彻底解决湿烟道膨胀节频繁漏水难题。

图三：钛膨胀节使用一年后效果

六、创新应用前景

钛及其合金以其优异的耐腐蚀性能被广泛应用于国内石油、化工行业等行业,并取得了良好的效果，随着国内钛工业的不断进步与发展,钛材价格大幅下降，钛材在防腐应用领域更加的广泛。漯河公司通过探索与实践，创新性将钛膨胀节在脱硫湿烟道上应用，为脱硫行业后续的发展、湿烟道膨胀节的选型提供了宝贵的实践经验。

七、项目主要负责人和参加人员情况

1、项目负责人

邢浩：男，31岁，华电漯河发电有限公司生产技术部灰硫专工，长期从事发电厂灰硫专业设备管理及改造工作，具有深厚的专业技术功底和丰富的生产管理经验，本课题中负责统筹管理。

2、项目研究人员

参考文献:

〔1〕蒋伟，赵金平，龚敏.钛及钛合金在防腐应用中的研究现状和前景〔J〕.轻金属,2007(09).59-63

〔2〕蔡维敏.浅析湿法烟气脱硫对烟囱运行的影响及防腐措施〔J〕.工业技术,2016(02)：63-65

〔3〕申智勇.钛材在燃煤火电厂湿烟气环境中的应用及发展方向〔A〕.钛工业进展,2016(05)：6-10

〔4〕王剑利.脱硫湿烟囱纯钛板防腐层受力分析〔J〕.信息化建设,2016：28-29

〔5〕孙德利.焊接后钛材在火电厂烟囱模拟冷凝液中的腐蚀性能研究.华电技术,2014(06)：9-13

〔6〕时瑞生.湿法烟气脱硫系统的腐蚀原因及防腐材料的选择.环保与综合利用,2008(03)：61-64

主创人员：邢 浩、王长征、张 伟、郑希峰