工業(yè)鍋爐高溫受熱面氧化皮堵管的成因及應(yīng)策

（廣東省特種設(shè)備檢測院順德分院,廣東順德 528300）

隨著鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器出口溫度的提升，原高溫受熱面采用的低合金耐熱鋼材料已不再能滿足鍋爐超高溫運(yùn)行工況要求。因此，高合金奧式體材料在超臨界和超超臨界鍋爐上開始廣泛應(yīng)用。然而，高溫下奧式體鋼管內(nèi)壁不可避免的被水蒸氣氧化，鍋爐長時間運(yùn)行氧化膜生長形成一定厚度的氧化皮，因氧化皮和鋼管基材存在較大的膨脹系數(shù)差，在停爐冷卻過程中氧化皮受應(yīng)力作用脫落、堆積堵塞受熱面管，如檢查清理不徹底，就會造成鍋爐再次啟動后超溫爆管。為了防范爆管情況的發(fā)生，就必須減少和避免氧化皮脫落及堆積。

1 金屬蒸汽氧化腐蝕機(jī)理

高溫蒸汽管道內(nèi)壁生成氧化膜是自然過程，開始氧化膜形成的很快，一旦膜形成后氧化速度減慢。但隨著運(yùn)行時間加長，在高溫高壓劇烈波動條件下，由于基材和氧化皮熱膨脹系數(shù)的不同，金屬表面的氧化膜會產(chǎn)生裂紋，裂紋的存在使得基體金屬直接暴露于氧化環(huán)境中，加速了氧化進(jìn)程，氧化層也向雙層、多層發(fā)展。

高溫金屬材料SA-213TP347H 為奧氏體不銹鋼，當(dāng)奧氏體不銹鋼長期處于高溫、高壓水蒸汽中時，管子內(nèi)壁也會氧化。Cr 的活性較高，在氧化初期階段，管子內(nèi)表面會生成很薄的Cr2O3 氧化膜，這層膜可以阻止管子內(nèi)壁的進(jìn)一步氧化，但只有Cr 含量高達(dá)20%時，合金表面才會生成致密的氧化膜。隨著時間的增長，氧化膜以下的基體相應(yīng)發(fā)生Cr 的貧化，在溫度、壓力劇烈波動情況下，外層氧化皮出現(xiàn)細(xì)微的裂紋，F(xiàn)e 向氧化膜外擴(kuò)散，大大惡化了其高溫下抗氧化能力，氧化速度加快，氧化層也開始向雙層、多層發(fā)展。

不銹鋼雖然抗氧化能力較強(qiáng)，但在高溫時，溫度、壓力劇烈波動條件下，由于氧化膜的破裂，氧化速度亦是很快的。

多年研究表明，蒸汽氧化與材質(zhì)的晶粒度有關(guān)，SA-213TP347H 材質(zhì)要求晶粒度在7 級以上才能生成Cr2O3 型氧化膜，但目前管材 (TP304H、TP347H)的晶粒度多在4－6級，晶粒度等級低，無法生成Cr2O3 保護(hù)氧化層。

2 氧化皮的脫落

氧化皮的脫落有兩個主要條件:

（1）氧化層達(dá)到一定厚度，通常不銹鋼為0.1mm，鉻鉬鋼為0.2～0.5mm；

（2）溫度變化幅度大，速度快，頻率高。氧化皮的脫落主要是由于氧化皮與金屬基體的熱膨脹系數(shù)不一樣造成的。SA-213TP347H 鋼材的膨脹系數(shù)在(1－20)×10－6/℃，而氧化鐵的膨脹系數(shù)在9.1 ×10－6/℃。由于熱膨脹系數(shù)相差一倍，在溫度升高時，氧化皮受拉應(yīng)力，溫度快速降低時，氧化皮受壓應(yīng)力，所以溫度劇烈或反復(fù)變化時很易產(chǎn)生裂紋以至于脫落。相對于珠光體鋼和馬氏體鋼(熱膨脹系數(shù)(12－14)×10－6/℃)熱膨脹系數(shù)與氧化皮比較接近，脫落的幾率相對少，這就是為什么TP347H 氧化皮更容易脫落的原因。

高溫氧化遵循拋物線規(guī)則，由于TP347H 管的氧化皮的熱膨脹系數(shù)與基體材料的熱膨脹系數(shù)有較大的差異，在鍋爐快速啟停時，氧化皮容易脫落(幾微米就可脫落)，脫落后使基材暴露在蒸汽中，而拋物線特性為初始氧化速度極快，導(dǎo)致反復(fù)脫落，反復(fù)氧化，氧化速度加快。脫落的氧化皮會堆積在管內(nèi)，使該管蒸汽流量減少，管壁溫度升高，更加快氧化進(jìn)程。

3 氧化皮堆積的成因

脫落的氧化皮在U 型彎的底部停滯，由于機(jī)組啟動時蒸汽流量較少，無法將其帶走。脫落的氧化皮不斷地積聚，到一定數(shù)量時，即使負(fù)荷較高時，也無法將其帶走，慢慢地堵塞管子，造成管壁超溫。停爐冷卻過程中，部分蒸汽凝結(jié)成水，積于U 型管底部，淹沒了脫落的氧化皮，隨著U 型管底部積水的逐漸蒸發(fā)，氧化皮一層緊貼一層，積聚成核狀，堵死管道的流通截面。

4 應(yīng)對氧化皮產(chǎn)生、脫落、堆積策略

為保證鍋爐安全運(yùn)行，防止出現(xiàn)爆管情況，一是預(yù)防氧化皮的產(chǎn)生，二是預(yù)防氧化皮脫落，三是預(yù)防氧化皮堆積。

4.1 應(yīng)對氧化皮生成的策略

（1）嚴(yán)格按機(jī)組運(yùn)行規(guī)程規(guī)定的鍋爐上水水質(zhì)，控制上水速度8%BMCR 流量左右，上水溫度與汽水分離器壁溫差＜110℃，啟動初期，利用輔汽提升除氧器給水溫度，盡量保證上水溫度達(dá)到120℃，加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)督。

（2）采用合理的水處理方式。國際比較流行的直流鍋爐水處理有全揮發(fā)性處理(AVT)、復(fù)合氧處理(CWT)、給水加氧處理(OT)三種。隨著超(超)臨界技術(shù)的發(fā)展，出于安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，國際上先進(jìn)的直流鍋爐均明確要求機(jī)組正常運(yùn)行過程中，水處理必須采用CWT 方式。

復(fù)合氧處理法(CWT)的優(yōu)點(diǎn)有:較好地利用了中性水工況和堿性水工況的優(yōu)點(diǎn)，避免了各自的缺點(diǎn)；在整個水汽循環(huán)中，同時使用鐵和銅材時，防腐效果處于最佳位置，腐蝕產(chǎn)物濃度最低；水汽循環(huán)中，各個設(shè)備上的垢層減??；有利于環(huán)保，凝結(jié)水處理設(shè)備再生周期延長。

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（3）運(yùn)行中避免蒸汽和金屬溫度超溫。因氧化皮的生成與溫度有密切的關(guān)系，所以鍋爐運(yùn)行中要嚴(yán)格控制過熱器、再熱器受熱面的蒸汽和金屬溫度。主蒸汽溫度和再熱汽溫度應(yīng)控制在設(shè)計(jì)溫度±5℃范圍內(nèi)。鍋爐設(shè)計(jì)資料中都給出了各級受熱面的金屬溫度報警值，運(yùn)行中要嚴(yán)格按照該溫度控制，嚴(yán)禁超溫運(yùn)行。

加強(qiáng)對受熱面的熱偏差監(jiān)視和調(diào)整，防止受熱面局部長期超溫。鍋爐運(yùn)行中兩側(cè)汽溫偏差應(yīng)控制在5～10℃范圍內(nèi)，溫度偏差過大，可造成局部超溫，產(chǎn)生氧化皮。

4.2 應(yīng)對氧化皮脫落的策略

（1）運(yùn)行過程中應(yīng)當(dāng)避免大的負(fù)荷波動。受熱管壁內(nèi)附著氧化皮的熱膨脹率遠(yuǎn)小于金屬管的熱膨脹率，運(yùn)行中如果負(fù)荷有較大的波動，會使受熱管道的溫度產(chǎn)生劇烈變化，由于膨脹量不一樣，氧化皮從壁面脫落下來。當(dāng)脫落的氧化皮過多時，容易堵塞管道，導(dǎo)致爆管。所以在運(yùn)行過程中應(yīng)當(dāng)盡量避免大的負(fù)荷波動。

（2）主、再熱蒸汽溫度在570℃～600℃區(qū)間內(nèi)時，應(yīng)控制汽溫平穩(wěn)變化，防止溫度突變。在這一區(qū)間內(nèi)溫度突變，極易造成大量氧化皮脫落，危害運(yùn)行安全，因此要注意汽溫控制，盡量使其變化平穩(wěn)緩慢。噴水減溫器應(yīng)避免噴水量大幅度變化和周期波動，噴水量變化大，會造成減溫后汽溫大幅變化，引起氧化皮脫落。

（3）啟、停爐時，嚴(yán)格控制啟停爐速度。啟、停爐過程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制啟停爐速度。按照停爐類型，設(shè)定降負(fù)荷速度。若升降負(fù)荷速度過快，爐內(nèi)溫度變化較劇烈，除了對爐本體設(shè)備會造成損壞外，還容易形成大量氧化皮脫落，堵塞管道。

機(jī)組故障緊急停機(jī)時，爐膛通風(fēng)10 分鐘后立即停止送、引風(fēng)機(jī)，并關(guān)閉送風(fēng)機(jī)出口和引風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口擋板，進(jìn)行燜爐6 小時以上，防止受熱面溫度快速降低。

控制高溫過熱器、再熱器蒸汽溫度和金屬壁溫降溫速率不大于1.5℃/min，主、再熱壓力降低速率不大于0.3MPa/min。降壓結(jié)束后，水冷壁可以上水冷卻，通風(fēng)冷卻要控制低溫段入口煙溫降低速率不高于1.5℃/min。

4.3 應(yīng)對氧化皮堆積策略

（1）鍋爐啟動前水沖洗。對新投運(yùn)和停運(yùn)時間超過150 小時的鍋爐，啟動前必須進(jìn)行水清洗，利用旁路將氧化皮吹掃到凝汽器，以除去堆積在受熱面上的雜質(zhì)、鹽分和鐵銹，直至爐水品質(zhì)達(dá)到允許鍋爐點(diǎn)火啟動的要求。在貯水箱排水Fe＞500μg/l 時，清洗水經(jīng)疏水?dāng)U容器排地溝或循環(huán)水系統(tǒng)不回收；在貯水箱排水 Fe＜500μg/l，一般在 200～300μg/l 時才排入凝汽器循環(huán)。在給水操縱臺前疏水管排水Fe＜200μg/l 時，鍋爐開始上水，可以進(jìn)行冷態(tài)清洗。

冷態(tài)清洗結(jié)束后，鍋爐點(diǎn)火，進(jìn)行熱態(tài)沖洗，在水冷壁出口水溫升高至180℃左右進(jìn)行熱態(tài)清洗，冷態(tài)啟動在0.5～0.7MPa 壓力下發(fā)生汽水膨脹，熱態(tài)清洗應(yīng)該在汽水膨脹結(jié)束后進(jìn)行。這一過程是清洗Fe 過程，必須嚴(yán)格按照規(guī)程要求，盡可能在前期去除系統(tǒng)內(nèi)的Fe。熱態(tài)清洗時投入5%BMCR 的熱負(fù)荷。給水流量約為20%BMCR，此時水冷壁系統(tǒng)流量為50%BMCR。

（2）對過熱器、再熱器及其管道系統(tǒng)進(jìn)行疏水。在機(jī)組啟動階段，在高、低壓旁路開啟前，對過熱器、再熱器及其管道系統(tǒng)進(jìn)行疏水，排出管道內(nèi)堆積物。如有條件進(jìn)行簡易的排汽，吹掃系統(tǒng)。

機(jī)組沖轉(zhuǎn)之前，利用100%旁路系統(tǒng)對受熱面管道進(jìn)行大流量氧化皮吹掃，快速開啟和關(guān)閉旁路(3 次)，通過瞬間壓力和流量的變化進(jìn)行吹掃，而且為了保證吹掃質(zhì)量吹掃時間不少于10 小時，吹掃期間密切關(guān)注凝汽器水質(zhì)含鐵情況的變化。

（3）必要時可以采取化學(xué)清洗，或再次進(jìn)行吹管。

結(jié)語

本文通過對高溫氧化層脫落、堆積成因及應(yīng)對措施的研究，取得了較好效果，鍋爐機(jī)組運(yùn)行以來，其氧化皮厚度目前處于正常水平，無明顯脫落，這充分說明了應(yīng)對策略是可行有效的，為減少和避免氧化皮脫落堵塞爆管提供了很好的借鑒。

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