Отдельный вопрос: высокотемпературная газовая коррозия. Высокотемпературная газовая коррозия экранов происходит под воздействием газовой среды. Одной из причин, обуславливающих быстрое протекание коррозионных процессов является высокая температура стенки. Существенную роль в ускорении коррозии играют тепловые потоки: чем они выше, тем больше градиент температуры по толщине наружных отложений, тем больше вероятность образования жидких расплавов в отложениях. Коррозионный процесс резко ускоряется при наличии восстановительной среды около поверхности экранов, тем более при набросе факела на экран. В этом случае протекает сероводородная коррозия с образованием сульфида FeS. Последний непроницаем для атомарного водорода, диффундирующего через стенку трубы, в связи с чем наводороживание металла стенки значительно ускоряется. При повышенных присосах воздуха в топку, когда в горелки подается меньше воздуха, положение в отношении восстановительной среды у ограждений топки существенно усугубляется.
Обычная углеродистая сталь при нагреве выше 600 оС довольно быстро окисляется и покрывается продуктами газовой коррозии, так называемой газовой окалиной. Окалина имеет сложное строение. На рисунке схематически представлено поперечное сечение слоя оксидов.
На поверхности металла образуется окалина, состоящая из слоев FeO, Fe3O4 и Fe2O3. Наиболее близкий к металлу слой содержит низшую степень окисления (оксид FeO), наиболее удаленный слой – наивысшую (Fe2O3). Защитным для железа является слой, только непосредственно прилегающий к металлу. Другие слои настолько пронизаны сетью мелких и крупных трещин, пор, отслоений, что не являются существенным препятствием для проникновения кислорода.
Процесс окисления протекает следующим образом. Вначале на чистой поверхности металла происходит физическая адсорбция кислорода, которая приводит к ослаблению связей между атомами в молекуле кислорода. Молекулы диссоциируют, и атомы кислорода оттягивают электроны от атомов металла. Наступает стадия химической адсорбции, когда смещение электронов к кислороду с образованием О2− равносильно образованию зародышей оксида. Таким образом, при взаимодействии кислорода с металлом образуется оксидная пленка.
Коэффициент термического расширения оксида, как правило, значительно ниже, чем для чистого металла. Вследствие этого резкие колебания температуры способствуют возникновению добавочных внутренних напряжений и механическому разрушению оксидной защитной пленки.
Хотя в мазуте содержится в 100-300 раз меньше золы, чем в твердом топливе, поверхности нагрева мазутных котлов очень быстро заносятся из-за образования легкоплавких соединений. Большое осложнение вызывает наличие в золовых отложениях пятиокиси ванадия. Кроме образования расплавов с низкой температурой плавления, пятиокись ванадия ускоряет процесс коррозии еще и потому, что служит катализатором в реакции окисления железа. Интенсивная высокотемпературная газовая коррозия проявляется там, где тепловые потоки достигают 500 кВт/м2. Следовательно, для котлов КрТЭЦ необходимо учитывать возможность и наружной коррозии экранов.
Сжигание некачественного мазута приводит к существенному нарушению топочного режима с догоранием топлива на экранах, где образуются коррозионно опасные отложения ванадатов и оксидов ванадия, оксида и сульфата кальция, сульфида железа. В результате ускоряются процессы наводораживания и разрушения металла экранных труб.
Как известно, процесс наружной коррозии труб отличается двумя характерными признаками: поперечными рисками и "уплощением" по лобовой образующей. Если природа "уплощения" очевидна и однозначно связывается с превышением температуры металла выше 585 оС, то по вопросу возникновения рисок существует несколько точек зрения. ОРГРЭС высказано предположение о протекании процессов усталостного характера, связанных с возникновением циклических напряжений в связи с пульсацией факела и соответствующими колебаниями температуры металла.
Hа котлах разных типов ОРГРЭС была осуществлена осциллографическая запись температуры металла труб HРЧ при различных режимах работы котлоагрегата. Регистрация температуры металла выявила наличие пульсации с периодом 15 с при амплитуде колебаний в 10-12 оС.
Опасность перегрева металла вызывает необходимость регулярного удаления из радиационных поверхностей нагрева внутренних отложений. Такой режим эксплуатации позволяет избежать повреждений труб из-за перегрева, но не исключает повреждений из-за наружной коррозии, сопровождающейся образованием глубоких поперечных рисок. Природа их возникновения связана с протеканием процессов усталостного характера, зависящих от пульсации факела и соответственно колебаний температуры металла труб со стороны, обращенной в топку. Влияние циклических температурных напряжений на срок службы труб HРЧ резко возрастает с увеличением общего температурного уровня труб. Так, наблюдаются случаи, когда трубы, расположенные в зоне максимальных тепловых потоков и работающие при температуре металла от 500 до 570 оС, подвергаются замене через каждые 20 тыс.ч.
Hа котлах ТП-230 Николаевской ТЭЦ вскоре после реконструкции горелок начали происходить хрупкие разрывы экранных труб в зонах, совпадающих с направлением факелов мазутных форсунок. Разрушения носили межкристаллитный характер. Утонения стенки труб в местах разрывов отсутствовало. Металл у внутренней поверхности труб был в значительной степени обезуглерожен. Случаи однотипных хрупких разрушений экранных труб (после реконструкции горелочных устройств) отмечались на разных типах котлов высокого давления. На котлах давлением 11 МПа подвергались коррозии в основном экранные трубы чистых отсеков, а на котлах давлением 15.5 МПа большинство повреждений приходилось на солевые отсеки.
В это время ряд исследовательских и наладочных организаций обратил внимание заводов-изготовителей на необходимость снижения локальных тепловых нагрузок на топочные экраны. Однако положение ухудшилось из-за снижения числа горелочных устройств с существенным увеличением их единичной производительности.