（江苏省特种设备安全监督检验研究院 江苏南京 210036）
摘要：本文通过分析锅炉热管材料的最新研究成果和应用情况，比较了不同金属材料的腐蚀因素和抗腐蚀性能，总结了提高热管材料耐蚀性的技术和方法；对抗腐蚀热管材料未来的研究方向和发展趋势具有指导意义。
关键词：锅炉;生物质燃烧;耐腐蚀;热管材料
生物质能在全球一次能源中约占14%,是继煤炭、石油、天然气之后的第四大能源。在发展中国家,生物质是非常重要的能源,约能提供35%的能量需求。生物质发电作为新型生物质能利用技术中的重要能量转化方式，为21世纪可再生能源的发展做出了突出的贡献。本文针对不同的燃烧方式，必须选择合适的金属材质并及时优化高温抗腐蚀金属材料的性能从而满足实际需要。
一、秸秆类生物质燃烧锅炉的热管材料
工业中常用秸秆类生物质燃料有棉杆、杨木杆和玉米杆。秸秆中较高的氯含量使其与碱金属盐一起对锅炉受热面造成高温腐蚀从而影响锅炉的安全经济运行。为减轻腐蚀问题，锅炉的热管换热器装置制造材料应具备一定的抗氯碱腐蚀的能力。研究表明耐热金属材料在碱金属熔融盐中的腐蚀程度与原料中的氯元素比例呈正相关。
（１）棉杆灰中C1元素含量占1.79％，属于低氯的秸秆生物质，工业生产中可以使用造价低、耐蚀性较好的低合金钢AISI4140型材料作为热管、过热器制备金属；杨木杆中氯元素比前者大2-3个百分点，热管材料宜采用普通耐蚀奥氏体合金钢，如AISI304；N.Arivazhagan等将低合金钢AISI4140与普通奥氏体合金钢AISI304焊接后置于650℃下Na2SO4／V2O5与Na2SO4／NaC1两种不同的碱金属熔融盐中进行腐蚀试验。实验结果显示两种金属都具备抗腐蚀能力，但在熔融盐中还是会受到不同程度的腐蚀。两种材料都在Na2SO4/NaC1熔融盐中受到较大腐蚀，但对比低合金钢AISI4140与奥氏体合金钢AISI304在相同熔盐中的腐蚀程度（如图１所示），可知后者相比于前者具有较强的耐蚀性。
（２）玉米杆中Ｃ1元素含量极大，为最大程度上缓解腐蚀，管壁金属材料应选择高强度奥氏体合金钢如HH、310SS等；奥氏体合金钢的抗腐蚀性能强于低合金钢，前者相比于后者Cr元素等合金元素所占比例大。Charng-Cheng Tsaur等研究了310SS型奥氏体合金钢在不同Na2SO4/掺混比熔融状态下的腐蚀形态，此材料在纯Na2SO4熔融盐环境下的腐蚀程度小于Na2SO4与NaC1混合熔融状态；当Na2SO4与NaC1熔融混盐中的掺混比为25%/75%时，腐蚀程度最大。
图１ AISI型金属的腐蚀形貌
生物质混煤燃烧锅炉的热管材料
生物质与煤的混合燃烧过程中，烟气中存在的SO2会抑制金属管材的氯腐蚀，且温度越高抑制作用越明显；适当的煤灰混燃比不仅可以减轻氯腐蚀，而且还可以提高燃烧温度。但随着氯元素的腐蚀被抑制，生物质混煤燃烧中硫腐蚀、K-Na腐蚀却相应地得到增强。研究表明生物质混合燃烧环境一般分为两种，即秸秆灰混烟煤和秸秆灰混贫煤，后者会产生较大的烟气腐蚀。
（１）秸秆灰混烟煤燃烧环境中宜采用普通低合金钢作为低中压锅炉的热管、过热器的制造材料，例如13crmo44和10CrMo910等。O.H.Larsen等在研究秸秆混煤燃烧时发现，以13CrMo44和10CrMo910为代表的低铁素体钢具有一定的耐蚀性并随着Cr、Mo、Ni等合金元素的添加，抗腐蚀能力越来越强。
（２）秸秆灰混贫煤中的烟气腐蚀相比烟煤严重，但其程度小于氯腐蚀；工业生产中可以使用15CrMoG和12Cr1MoV钢，两者都是具有较好的机械加工性能且耐热性强的低合金钢，主要用于锅炉过热器热管制造。栗秀娟等在研究生物质混合燃烧时发现随着温度的逐渐升高，12CrMoVG与15CrMoG在相同的生物质燃烧环境下腐蚀程度均增加；15CrMoG的抗腐蚀性能大于12CrMoVG，因为前者所含Cr、Mo、Ni的合金元素量大于后者。材料在生物质混煤燃烧环境下随着一定比例的合金元素的添加抗腐蚀能力逐渐增强，因此合金元素的掺混比对材料的腐蚀性能有一定的影响；在混合燃烧时需要选择合适的材料以保证工业生产的安全。
三、生物质垃圾焚烧锅炉热管材料
生物质垃圾焚烧是一种较为理想的，通过将生活垃圾转化成生物质能的焚烧技术；但是由于垃圾与煤成分上的区别，垃圾焚烧锅炉和燃煤锅炉中所遇到的问题会有所不同。其中一个显著的区别在于：燃煤锅炉中不太严重的HCI腐蚀，却在生物质垃圾焚烧锅炉中变得较为突出，并且成为垃圾焚烧发电技术中首要解决的问题。根据大量的研究与实践调研，我国垃圾焚烧主要为生活垃圾焚烧，锅炉装置通常使用碳钢与低合金钢作为过热器管道材料。可以使用的材料有20G型碳钢，普通奥氏体合金钢12Cr1MoVG、15CrMoG等。材料在HC1气氛中随着温度的升高腐蚀程度均逐渐增大；当温度大于500℃时，碳钢的耐蚀性变弱。印佳敏等研究了20Ｇ和12Cr1MoVG在不同温度下HC1气氛中的腐蚀特性，指出20型钢在低温环境下的抗腐蚀性能略大，随着温度的升高两种金属的抗腐蚀性能均降低；但当温度升高到500℃时，12Cr1MoVG在高温环境下抗腐蚀性能占优。丁艳君等进行了20G管材在HC1环境下的腐蚀动力学研究，在400～500℃，20Ｇ随温度升高腐蚀加快且少量的Ｃｌ就可以使腐蚀反应不断进行，使元素成为自我催化剂。20Ｇ型钢在不同温度下腐蚀后的SEM电镜扫描图如图2所示。潘葱英研究得出低合金钢15CrMoG的抗腐蚀性能随温度的升高大于20Ｇ型钢。
图２ 20g型钢在不同温度下腐蚀后的表面形貌
四、热管材料抗腐蚀性能的提高
针对不同生物质燃烧环境下所产生的腐蚀问题，可以采取不同方法对热管及换热器材料进行处理来提高材料的抗腐蚀能力。
（1）热管材料成分优化
在生物质燃烧环境中，金属腐蚀产物的高温稳定性越好，金属抗腐蚀能力越强，从最根本层面来说，这些都是由合金元素决定的，因此适当改变抗腐蚀元素的掺混比可在一定程度上提高金属腐蚀能力。Cr、A1、Ni等元素都具有较好的抗高温腐蚀性，但由于Ni价格昂贵，研究方向应朝向Cr、A1、Ni合金方向制备发展。
（２）热管表面处理
为提高金属的耐蚀能力，可以将耐热涂料涂于金属表面。涂料一般是指工作温度在200℃以上仍然保持其良好的物理和化学性能的防腐材料；喷涂部位包括过热器管、省煤器管、水冷壁管等；将具有耐腐蚀性的耐热涂料敷在生物质混合燃烧过热器管壁上可以达到防腐的目的。
（３）热管布局与运行设计
烟气腐蚀中，适当加厚处于腐蚀温度区的受热面管壁能够起到一定的抗腐蚀作用，如在高温过热器迎风面加装防磨罩，可以减缓腐蚀的速度。实践证明，在加装防磨罩后，可以减缓高温过热器管高温腐蚀速度，防磨罩的使用寿命至少在6个月以上。
五、结语
总而言之，不同生物质燃烧环境下需要选择与腐蚀环境相适应的合金材料，并根据实际情况对材料进行优化以提高抗蚀能力。目前对于生物质燃烧环境下耐蚀热管材料的研究仍处于发展阶段，需要开发更多的新型耐热抗腐蚀热管材料，以期为扩展热管材料应用领域，提高材料的综合利用水平，创造更大的经济效益提供有利条件。
参考文献
[1]印佳敏，吴占松，等．生物质锅炉过热气相ＨＣｌ腐蚀的实验研究[J]清华大学学报，2008，48(11):1791.
[2]蒋正武.生物质燃料的燃烧过程及其焚烧灰特性研究[J].材
料导报：研究篇，2010,24(2):66
论文作者:蒋颖
论文发表刊物:《电力设备》2016年第5期
论文发表时间:2016/6/17
标签：材料论文; 热管论文; 生物论文; 锅炉论文; 抗腐蚀论文; 元素论文; 奥氏体论文; 《电力设备》2016年第5期论文;