亞臨界鍋爐氧化皮的生成機(jī)理及防治措施

徐焱　李志明

摘 要：長(zhǎng)期以來(lái)，氧化皮生成和脫落問(wèn)題一直是引起鍋爐爆管的一個(gè)重要因素，因氧化皮形成，脫落，再形成，再脫落以致受熱面管子減薄。同時(shí)脫落的氧化皮在管道內(nèi)沉積使管道堵塞，使管內(nèi)冷卻工質(zhì)流通不暢，管子得不到冷卻燒損導(dǎo)致爆管。氧化皮的生產(chǎn)和脫落有材料方面的原因，有水質(zhì)和蒸汽品質(zhì)方面的原因，同時(shí)超溫也是形成氧化皮的重要因素之一，對(duì)于一臺(tái)已經(jīng)成型的鍋爐來(lái)說(shuō)，如何減少超溫和控制溫度變化率是控制氧化皮生產(chǎn)和脫落的主要方法。

關(guān)鍵詞：氧化皮；機(jī)理；剝落

1 高溫氧化皮剝落現(xiàn)象

工作汽溫在450℃以上的蒸汽管道，其內(nèi)壁會(huì)生成堅(jiān)硬的Fe3O4垢層。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，垢層變厚。當(dāng)垢層增厚到一定程度，遇到工況變化快，溫度改變劇烈時(shí)，這些垢層就容易從管壁剝離。垢層剝離后的管壁會(huì)重新開(kāi)始新的氧化垢生成、長(zhǎng)厚過(guò)程。含Cr合金鋼管材所生成的這種氧化鐵垢，會(huì)有厚度幾乎相等的內(nèi)外二層。外層是完全不含Cr的純Fe3O4（含少量a態(tài)）層；內(nèi)層是含Cr高于基體的富鉻層。溫度是氧化皮生成的一個(gè)關(guān)鍵因素。如工作溫度在480℃～545℃的高溫過(guò)熱器或高溫再熱器，其同一根U型管的出口端的氧化皮要比進(jìn)口端嚴(yán)重得多。高溫氧化剝皮還發(fā)生在過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽的主管道、汽輪機(jī)的高壓缸和中壓缸的前二級(jí)葉片。

2 氧化皮形成機(jī)理

由于鐵的氧化物種類(lèi)繁多，并且在不同的條件下生成不同的氧化物，關(guān)于受熱面高溫氧化皮的成因和剝落機(jī)理主要是以下幾方面：金屬的氧化是通過(guò)氧離子的擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行的。假如生成的氧化膜是牢固的，在生成氧化膜后，氧化過(guò)程就會(huì)減弱，金屬就得到了保護(hù)。假如生成的氧化膜不牢固，生成的氧化膜不斷剝落，氧化過(guò)程就會(huì)繼續(xù)下去；受熱面氧化現(xiàn)象首先是鐵元素的氧化。在570℃以下，生成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4。組成Fe2O3和Fe3O4都比較致密，因而可以保護(hù)鋼材以免進(jìn)一步氧化。當(dāng)超過(guò)570℃時(shí)，氧化膜由Fe3O4、Fe2O3、FeO三層組成（FeO在最內(nèi)層），其厚度比約為1：10：100，即氧化皮主要是由FeO組成，F(xiàn)eO是不致密的，因此破壞了整個(gè)氧化膜的穩(wěn)定性，氧化過(guò)程得以繼續(xù)下去。

氧化皮剝離有兩個(gè)主要條件：一是垢層達(dá)到一定厚度。二是溫度變化幅度大、速度快、頻度大。有關(guān)過(guò)熱器再熱器管材鋼的熱脹系數(shù)一般在16×10-6～20×10-6/℃，而Fe3O4和FeO·CrO。則分別為9.1×10-6/℃和5.6×10-6/℃。由于熱脹系數(shù)的差異，當(dāng)垢層達(dá)到一定厚度后，在溫度發(fā)生變化，尤其是發(fā)生反復(fù)或劇烈的變化時(shí)，氧化皮很容易從金屬本體剝離。

管內(nèi)氧化皮生成和剝落速度與溫度、時(shí)間、氧氣含量、蒸汽壓力、流速、鋼材成份、氧化皮成份等因素有關(guān)。溫度愈高，時(shí)間愈長(zhǎng)，介質(zhì)中氧的分壓愈高，流速愈快，管內(nèi)氧化皮生成和剝落速度愈快。

3 氧化皮剝落的危害

鍋爐的高溫過(guò)熱器和再熱器多為立式布置。每級(jí)過(guò)熱器由數(shù)百根豎立的U形管并列組成。內(nèi)壁氧化皮的存在，不僅導(dǎo)致受熱面金屬壁溫升高，從U形管垂直管段剝離下來(lái)的氧化皮垢層，一部分被高速流動(dòng)的蒸汽帶出過(guò)熱器，另有一些會(huì)落到U形管底部彎頭處。由于底部彎頭處氧化皮剝離物的堆積，使得管內(nèi)通流截面減小，流動(dòng)阻力增加。這導(dǎo)致了管內(nèi)的蒸汽通過(guò)量減少，使管壁金屬溫度升高。當(dāng)堆積物數(shù)量較多時(shí)，管壁大幅超溫，引起爆管；從高溫過(guò)熱器和再熱器管剝離的氧化皮，很多會(huì)被有著極高流速的蒸汽攜帶出過(guò)熱器和再熱器。至調(diào)門(mén)或再經(jīng)噴嘴后，獲得更大的速度，這些被攜帶的氧化皮剝離物顆粒具有極大的動(dòng)能，它們不斷地撞擊汽輪機(jī)葉片，使得汽輪機(jī)高壓缸和中壓缸的前幾級(jí)葉片受到很大的損傷。損傷嚴(yán)重時(shí)，前二級(jí)葉片會(huì)變小、缺損，降低機(jī)組出力；被高速蒸汽帶出過(guò)熱器和再熱器的氧化皮剝離物顆粒，在汽輪機(jī)內(nèi)完成對(duì)葉片的撞擊和沖蝕以后，顆粒本身會(huì)破碎、變小、變細(xì)，并增加了一些葉片本身被沖蝕的產(chǎn)物，進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)。這些細(xì)小氧化鐵顆粒進(jìn)入系統(tǒng)后會(huì)在鍋爐水冷壁管、靠近省煤器端的高加水側(cè)加熱管沉積，導(dǎo)致水汽系統(tǒng)二次污染。

4 控制氧化皮生成、脫落和運(yùn)行措施及調(diào)整建議

鍋爐金屬管在高溫水蒸汽環(huán)境下產(chǎn)生氧化皮屬于正?，F(xiàn)象。由于管子金屬材料的線膨脹系數(shù)比氧化皮膨脹系數(shù)大得多，所以當(dāng)過(guò)熱器或再熱器在啟動(dòng)線或停爐時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的脹差而促使氧化皮脫落。粗晶奧氏體不銹鋼管（12Cr2MoWVTiB）過(guò)熱器，設(shè)計(jì)出口溫度為540℃左右，鍋爐可能會(huì)在運(yùn)行3萬(wàn)時(shí)后首次出現(xiàn)氧化皮脫落。氧化皮的治理是一項(xiàng)繁復(fù)的工作，即使汽溫波動(dòng)小，超溫控制良好，隨著運(yùn)行時(shí)間的積累，當(dāng)氧化皮的厚度達(dá)到一定值時(shí)，它一樣會(huì)脫落，我們要做的是盡量不要讓它在運(yùn)行中脫落，減小在運(yùn)行中的脫落量，從而不致于造成氧化皮堵管、超溫爆管。

在機(jī)組啟停過(guò)程中，管子的溫度變化幅度最大，管內(nèi)氧化皮最容易剝落。特別是緊急停爐時(shí)，由于爐溫度急冷，壁溫驟降，很容易造成氧化皮脫落。加之在啟動(dòng)初期蒸汽流量較小，不能迅速地將剝落的氧化皮帶走，等大流量時(shí)已經(jīng)存管徑較小的彎頭處形成堵塞，就會(huì)產(chǎn)生超溫。另外，啟動(dòng)過(guò)程中噴水減溫導(dǎo)致管壁金屬溫度劇烈變化也是導(dǎo)致氧化皮剝落原因之一，所以氧化皮堵塞造成的爆管多發(fā)生在啟動(dòng)后短時(shí)間內(nèi)，建議采取以下防范措施來(lái)進(jìn)行氧化皮的控制：

4.1 機(jī)組啟動(dòng)階段

（1）機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的按規(guī)程嚴(yán)格把關(guān)，確保啟動(dòng)各階段汽水品質(zhì)合格，并適當(dāng)提高鍋爐上水溫度，鍋爐進(jìn)水溫度由此前的40-60度提高到90-104℃。（2）沖轉(zhuǎn)至50MW負(fù)荷過(guò)程中禁止使用減溫水，防止汽溫難以控制造成汽機(jī)水沖擊，并網(wǎng)后迅速增加給煤量，同時(shí)保持壓力不變升負(fù)荷，用調(diào)門(mén)來(lái)控制各部汽溫的升速率，待負(fù)荷高于50-60MW時(shí)，逐漸投入減溫水調(diào)節(jié)。（3）機(jī)組啟動(dòng)暖管過(guò)程中要保證暖管的壓力和蒸汽流量，適當(dāng)延長(zhǎng)暖管時(shí)間，目的是對(duì)過(guò)熱器、再熱器、主再熱蒸汽管道進(jìn)行有效的吹掃。（4）鍋爐啟動(dòng)階段的主要控制參數(shù)：最大爐水飽和溫升≯1.5℃/min，最大汽溫升≯1.5℃/min，后屏過(guò)熱器出口溫度及屏再、末再、末過(guò)壁溫溫升≯5℃/min，后屏過(guò)熱器出口溫度≯540℃，重點(diǎn)注意控制煤量和爐膛出口煙溫的變化，保持各蒸汽受熱面的壁溫升在規(guī)定范圍內(nèi)。（5）鍋爐啟動(dòng)階段應(yīng)控制A/B側(cè)過(guò)熱器出口溫度的偏差，如果偏差大于5℃，應(yīng)采取調(diào)整輔助風(fēng)檔板開(kāi)度（A側(cè)高時(shí)適當(dāng)開(kāi)大反切輔助風(fēng)門(mén)，關(guān)小正切輔助風(fēng)門(mén)，B側(cè)高時(shí)相反）將偏差值控制在10℃之內(nèi)，從而防止局部過(guò)熱。（6）氧化皮剝落和溫度變化有直接的關(guān)系，因此控制機(jī)組啟停次數(shù)、頻度，減緩升溫和降溫速率。鍋爐啟停中受熱面溫度變化按照規(guī)程規(guī)定的參數(shù)升降，抑制氧化皮的剝落。特別是機(jī)組啟動(dòng)和事故狀態(tài)下，由于再熱器存在蒸汽中斷的情況，此時(shí)要對(duì)再熱器系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，通過(guò)旁路系統(tǒng)向再熱器供汽，減少再熱器干燒的時(shí)間。

4.2 機(jī)組停運(yùn)階段

（1）停機(jī)時(shí)，如果沒(méi)有特殊情況，盡量不要將汽溫滑得過(guò)低，一般不要低于380度，減小金屬和氧化皮之間的熱應(yīng)力，減少在滑停過(guò)程中氧化皮的脫落量。（2）做好停爐保護(hù)。選用恰當(dāng)?shù)耐＿\(yùn)保養(yǎng)方法，如熱爐放水，受熱面負(fù)壓抽干等，它可以有效地減輕過(guò)熱器管下部彎頭的停運(yùn)腐蝕。（3）沒(méi)有特殊要求，盡量避免鍋爐停運(yùn)后強(qiáng)冷，強(qiáng)冷時(shí)對(duì)于風(fēng)量必須嚴(yán)格按照規(guī)程執(zhí)行。（4）對(duì)高溫過(guò)熱器和再熱器，在每次機(jī)組大修和有條件的小修時(shí)割管，測(cè)取垢量，分析氧化皮的嚴(yán)重程度和生成趨勢(shì)。同時(shí)，對(duì)高溫過(guò)熱器、高溫再熱器底部彎頭拍片檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)有沉積物的彎頭，進(jìn)行更換，可以較有效地避免運(yùn)行后爆管。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，氧化皮的形成和剝落有其不可避免的原因，但還有很多方法減緩和控制其生產(chǎn)的數(shù)量和速度。在啟停機(jī)階段，只要嚴(yán)格按照升溫升壓曲線去執(zhí)行升溫升壓程序，控制各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)氧化皮的形成和剝落還是有很大的延緩作用的。

參考文獻(xiàn)

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