超臨界鍋爐高溫過熱器氧化皮脫落導(dǎo)致爆管的原因分析及對(duì)策

何 誠(chéng)，楊守偉，樊 旭

(河北省電力研究院，石家莊 050021)

近年來我國(guó)火力發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速，大批大容量、高參數(shù)超臨界機(jī)組相繼建成投產(chǎn)。從目前投入商業(yè)運(yùn)行的超臨界機(jī)組的運(yùn)行情況看，鍋爐高溫過熱器內(nèi)壁氧化皮脫落導(dǎo)致過熱器短期超溫爆管問題日益突出，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行可靠性。

1 氧化皮的生成機(jī)理

超臨界機(jī)組蒸汽參數(shù)高，主蒸汽溫度均在570 ℃左右，在該溫度下水蒸汽氧化性很強(qiáng)，氧化皮的生成是必然的[1]。開始時(shí)，過熱器管內(nèi)壁氧化膜形成速度很快，形成一層致密的氧化膜后，氧化皮的增厚速度會(huì)變緩。但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，在超溫或溫度、壓力劇烈波動(dòng)等情況下，由于管子母材和氧化膜不同的熱膨脹能力，金屬表面的氧化膜會(huì)產(chǎn)生裂紋，裂紋的存在使基體金屬直接暴露于氧化環(huán)境中，加速了氧化的進(jìn)程，氧化層也開始向雙層、多層發(fā)展。氧化皮的生長(zhǎng)速度與管壁金屬溫度有著密切的關(guān)系，超溫運(yùn)行或者運(yùn)行中金屬溫度偏高是氧化皮生長(zhǎng)速度過快的主要原因；氧化皮的增厚導(dǎo)致?lián)Q熱能力弱化，管壁金屬溫度更高，氧化皮生長(zhǎng)速度更快，形成惡性循環(huán)。

2 氧化皮脫落導(dǎo)致爆管的原因分析

過熱器受熱面長(zhǎng)期高溫運(yùn)行，內(nèi)壁氧化膜的厚度不斷增加，在鍋爐的啟停、升降負(fù)荷及其他異常狀況導(dǎo)致金屬溫度大幅變化的過程中，由于氧化皮的熱膨脹系數(shù)與基體材料的熱膨脹系數(shù)有較大差異，達(dá)到一定厚度的氧化皮在熱應(yīng)力的作用下就會(huì)脫落。氧化皮的脫落與氧化皮厚度、管道材質(zhì)及金屬溫度的變化率有關(guān)[2]。

從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，過熱器受熱面由于氧化皮脫落堵塞管道導(dǎo)致過熱器超溫爆管現(xiàn)象往往發(fā)生在停爐后的再次啟動(dòng)過程中。這主要是由于鍋爐長(zhǎng)期運(yùn)行形成了一定厚度的氧化皮，鍋爐停爐過程中由于受熱面的冷卻導(dǎo)致大量氧化皮的集中脫落，大塊的氧化皮沉積在U型彎的底部，蒸汽冷凝水也聚積于U型彎下部，淹沒了剝落的氧化皮，鍋爐啟動(dòng)過程中冷凝水逐漸蒸干，氧化皮一層緊貼一層，聚積成核狀，堵塞了高溫過熱器流通截面。

同時(shí),機(jī)組啟動(dòng)過程中也會(huì)導(dǎo)致部分氧化皮脫落，由于啟動(dòng)期間蒸汽流量較小，攜帶作用較差，進(jìn)一步加劇了氧化皮的聚積。沉積在U型彎頭底部的氧化皮減小了蒸汽的流通面積，減弱了蒸汽對(duì)受熱面管的冷卻作用，從而可能導(dǎo)致過熱器的超溫爆管。

3 防止過熱器超溫爆管的措施

3.1 防止高溫過熱器受熱面超溫運(yùn)行

a. 檢修過程中對(duì)過熱器受熱面內(nèi)氧化皮厚度分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在氧化皮較厚的管段加裝金屬壁溫測(cè)點(diǎn)。在鍋爐運(yùn)行過程中嚴(yán)格控制金屬受熱面壁溫不超限，增加壁溫超限報(bào)警裝置，在出現(xiàn)超限壁溫測(cè)點(diǎn)時(shí)及時(shí)提醒運(yùn)行人員進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，禁止受熱面超溫運(yùn)行。由于熱偏差的存在，金屬溫度可能限制主蒸汽溫度的提高，運(yùn)行中必須以壁溫不超限為準(zhǔn)，必要時(shí)可降低蒸汽運(yùn)行溫度。

b. 加強(qiáng)鍋爐受熱面熱偏差的監(jiān)視與調(diào)整，防止受熱面局部超溫。結(jié)合蒸汽溫度及金屬壁溫分布情況，對(duì)鍋爐配風(fēng)、燃燒器投入方式、燃燒器擺角、減溫水等進(jìn)行調(diào)整，確保鍋爐熱負(fù)荷分布均勻。

c. 加強(qiáng)爐膛出口煙氣溫度監(jiān)視，通過減少爐膛漏風(fēng)、增加下層燃燒器出力、使燃燒器擺角下擺、加強(qiáng)爐膛吹灰、適當(dāng)增加鍋爐含氧量、降低煤粉細(xì)度等措施來降低爐膛出口煙氣溫度，確保爐膛出口煙氣溫度不超限。

d. 運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)金屬溫度超過允許值時(shí)應(yīng)迅速通過調(diào)整運(yùn)行方式、進(jìn)行爐膛吹灰等措施來降低金屬溫度，調(diào)整無效時(shí)應(yīng)通過降低蒸汽溫度、降低機(jī)組負(fù)荷等手段確保金屬壁溫不超限。任何時(shí)候都不允許蒸汽參數(shù)和受熱面金屬溫度長(zhǎng)時(shí)間超過允許值。

3.2 減小受熱面溫度周期性波動(dòng)和溫度變化速度

a. 對(duì)給水控制、鍋爐負(fù)荷控制、汽溫控制等熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行完善，減小各級(jí)過熱蒸汽系統(tǒng)溫度的周期性波動(dòng)幅度和速率。

b. 機(jī)組正常運(yùn)行中，升、降負(fù)荷盡量平緩進(jìn)行，避免造成鍋爐燃燒強(qiáng)度及給水量的大幅度波動(dòng)，進(jìn)而造成鍋爐中間點(diǎn)溫度、各級(jí)過熱器受熱面金屬溫度的大幅波動(dòng)。進(jìn)行汽溫調(diào)節(jié)時(shí)注意維持各級(jí)過熱器出入口汽溫的平穩(wěn)性，合理分配各級(jí)減溫水量，避免出現(xiàn)局部受熱面超溫。加強(qiáng)鍋爐各主要輔機(jī)的維護(hù)，避免機(jī)組RB、甩負(fù)荷等容易造成機(jī)組負(fù)荷、受熱面溫度急劇波動(dòng)的工況發(fā)生。

c. 機(jī)組正常停機(jī)要采用滑參數(shù)停機(jī)方式，停機(jī)過程中各級(jí)過熱器出入口蒸汽溫度、各受熱面金屬溫度的變化率必須作為控制機(jī)組滑停速度的重要依據(jù)之一，控制好減弱燃燒強(qiáng)度的速率，并注意及時(shí)調(diào)整各級(jí)減溫水量。

d. 機(jī)組故障緊急停機(jī)，爐膛通風(fēng)吹掃程序完成后應(yīng)立即停止送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行，關(guān)閉所有風(fēng)門、擋板及看火孔等，保證爐膛底部密封參數(shù)合格后進(jìn)行悶爐，避免鍋爐受熱面快速冷卻。若緊急停爐后需要對(duì)鍋爐進(jìn)行快速冷卻，需先通過旁路進(jìn)行鍋爐降壓，控制主蒸汽降壓速率不大于0.3 MPa/min，并嚴(yán)密監(jiān)視高溫過熱器、屏式過熱器受熱面金屬溫度下降速度不超過3 ℃/min。降壓過程中除氧器加熱必須持續(xù)投入，維持鍋爐給水溫度，避免降壓結(jié)束后水冷壁上水過程中啟動(dòng)分離器產(chǎn)生過大的降溫速率。啟動(dòng)分離器儲(chǔ)水箱水位正常后方可啟動(dòng)煙風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，冷卻風(fēng)量的調(diào)整應(yīng)依據(jù)爐膛出口煙溫的下降速率來控制，避免由于各級(jí)過熱器受熱面受到大量冷風(fēng)的快速冷卻導(dǎo)致氧化皮集中脫落。

e. 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過程中嚴(yán)格按照機(jī)組升溫控制曲線控制蒸汽溫度。在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過程中機(jī)組并列前的溫升速率控制不高于3 ℃/min，機(jī)組并列后的升溫速率控制不高于2 ℃/min。鍋爐啟動(dòng)過程中應(yīng)密切監(jiān)視各級(jí)受熱面金屬溫度，在各級(jí)金屬受熱面內(nèi)積水蒸干和過熱器內(nèi)建立起冷卻蒸汽流量以前，嚴(yán)格控制爐膛出口煙溫不超限，同時(shí)應(yīng)及時(shí)投入機(jī)組啟動(dòng)旁路系統(tǒng)，加強(qiáng)各級(jí)受熱面的冷卻。

f. 鍋爐啟動(dòng)中燃料投入應(yīng)均勻、緩慢，汽溫、受熱面金屬壁溫不發(fā)生突變。投粉時(shí)應(yīng)確保過熱器內(nèi)已建立起冷卻流量，各級(jí)減溫水具備投入條件，確保鍋爐啟動(dòng)過程中升溫升壓速率不超限，減少啟動(dòng)過程中氧化皮的脫落。

g. 機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)過程中的工作安排必須緊湊，煙風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)前必須確保各級(jí)系統(tǒng)能有效投入，煙風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)后馬上進(jìn)行點(diǎn)火準(zhǔn)備，爐膛吹掃完成后立即點(diǎn)火，隨后迅速增加燃料投入量進(jìn)行升溫升壓，防止煙風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)后的長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)制冷卻或者升溫升壓速度過慢導(dǎo)致受熱面金屬溫度發(fā)生一次周期性變化。

3.3 合理控制鍋爐啟停的操作工藝

a. 大修前停爐過程中可適當(dāng)增大蒸汽溫度波動(dòng)幅度和速度，加速氧化皮的脫落，利用高蒸汽流量下的攜帶能力帶走脫落下來的氧化皮；同時(shí)根據(jù)管子內(nèi)壁氧化皮的厚度和狀態(tài)合理選擇停爐冷卻速度，以便控制氧化皮的剝落方式、剝落量及剝落氧化皮的尺寸。

b. 停爐過程中采用熱爐放水、余熱烘干的方式，同時(shí)利用汽輪機(jī)真空系統(tǒng)排盡受熱面內(nèi)的水蒸汽，使受熱面內(nèi)聚集的氧化皮保持干燥、松散狀態(tài)，有利于啟動(dòng)過程中被蒸汽攜帶走。c. 鍋爐啟動(dòng)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制升溫升壓速率，并利用啟動(dòng)旁路對(duì)受熱面進(jìn)行變流量沖洗，利用大流量蒸汽將脫落的氧化皮帶走，防止啟動(dòng)過程中產(chǎn)生氧化皮聚集。

3.4 及時(shí)檢測(cè)和清理相關(guān)部位的氧化皮

停爐期間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速無損檢測(cè)，檢查確認(rèn)鍋爐過熱器受熱面底部彎頭部位氧化皮的堆積情況，必要時(shí)進(jìn)行割管清理，并對(duì)容易造成氧化皮聚集的管道彎頭進(jìn)行更換，增加彎管的彎曲半徑，避免氧化皮在該部位的再次聚集。

4 結(jié)束語

隨著河北省南部電網(wǎng)超臨界鍋爐機(jī)組的相繼建成投產(chǎn)，氧化皮脫落問題得到了相關(guān)電廠的高度重視，通過對(duì)氧化皮的生成機(jī)理進(jìn)行分析，從生產(chǎn)運(yùn)行管理的角度提出了若干防止氧化皮脫落導(dǎo)致鍋爐受熱面超溫爆管的措施，為超臨界機(jī)組的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了重要的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 岑可法，周 昊，池作和.大型電站鍋爐安全及優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2003.

[2] 銀 龍，宋壽春,畢法森,等．超臨界機(jī)組氧化皮的產(chǎn)生與防范[J]．電力設(shè)備，2006，7(10):33-36.