奧氏體不銹鋼管氧化皮受控剝落的成功經(jīng)驗總結(jié)

周 勇，王中正，田 澤

（1.山西昱光發(fā)電有限責任公司，山西 朔州 036900；2.華電朔州熱電有限責任公司，山西 朔州 030001；3.漳澤電力同華發(fā)電有限責任公司，山西 忻州 034114）

奧氏體不銹鋼管氧化皮受控剝落的成功經(jīng)驗總結(jié)

周 勇1，王中正2，田 澤3

（1.山西昱光發(fā)電有限責任公司，山西 朔州 036900；2.華電朔州熱電有限責任公司，山西 朔州 030001；3.漳澤電力同華發(fā)電有限責任公司，山西 忻州 034114）

提出了奧氏體不銹鋼管氧化皮剝落是一個世界公認的難題，根據(jù)山西某電廠超臨界參數(shù)鍋爐末級過熱器因氧化皮剝落造成的爆管事故，分析了氧化皮生成和剝落的機理，總結(jié)了使氧化皮受控剝落的有效技術(shù)措施，對同類型機組具有借鑒意義。

超臨界；高溫受熱面；氧化皮

0 引言

山西某電廠1號鍋爐于2012年1月發(fā)生了末級過熱器爆管，從投產(chǎn)到爆管機組運行時間約7 000 h。爆口呈喇叭狀，管壁嚴重減薄邊緣鋒利，其坡口斷裂面較為光滑，呈撕裂狀，從其特征分析為短時間過熱所致，該根管子下彎頭割開后取出不少于80 g的氧化皮。分析爆管的主要原因是該管段氧化皮脫落并積存，使管內(nèi)流動阻力升高，流量降低，管壁冷卻效果下降，最終導(dǎo)致超溫爆管。

本臺鍋爐高溫過熱器管產(chǎn)生氧化皮的主要原因分析有以下幾點：末級過熱器管壁曾出現(xiàn)過短暫的超溫現(xiàn)象；機組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)不好，在機組升降負荷時主蒸汽溫度波動幅度大；爆管之前機組曾多次啟停，特別是在停機過程中采取了快速冷卻的方法[1]。

1 設(shè)備狀況

該鍋爐為2 090 t/h超臨界參數(shù)變壓直流爐，采用前后墻對沖燃燒方式，單爐膛平衡通風，一次中間再熱，固態(tài)排渣，全鋼構(gòu)架的型爐。鍋爐型號：DG2100/25.4-Ⅱ6。

爐膛寬為22 162.4mm，深度為15 456.8mm，高度為65 000mm，爐膛由下部螺旋盤繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁2個不同的結(jié)構(gòu)組成。輻射式屏式過熱器布置在爐膛上部區(qū)域，在爐深方向布置了2排，2排屏緊挨著布置，每一排管屏沿爐寬方向布置15片屏，共30片，爐內(nèi)受熱面管子均采用SA-213TP347H材料。高溫屏式過熱器位于折焰角上部，沿爐寬方向布置有35片，爐內(nèi)受熱面管子的材質(zhì)均為SA-213TP347H。高溫屏式再熱器布置于高溫過熱器后的水平煙道內(nèi)，共96片，爐內(nèi)受熱面管子均為SA-213TP347H材料。

本臺鍋爐采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配6臺磨煤機，36只燃燒器分3層布置在爐膛前后墻上，其中前墻最下層燃燒器為等離子點火燃燒器。

2 奧氏體不銹鋼管受熱面的氧化皮剝落成因分析

a）超臨界機組主蒸汽溫度均在570℃左右，該溫度下水蒸汽氧化性很強，高溫氧化皮是奧氏體不銹鋼和高溫蒸汽氧化的產(chǎn)物[2]，其物質(zhì)結(jié)構(gòu)分為3層，最內(nèi)層為（Fe,Cr）2O3、中間層為Fe3O4、最外層為Fe2O3。奧氏體不銹鋼管與超臨界蒸汽接觸，初期氧化速度很快，當形成致密的富鉻氧化層后，阻斷了氧與金屬基體的直接接觸，有助于延緩氧化腐蝕，但氧化皮的生成是難以避免的，隨機組運行時間增長，氧化皮厚度會逐漸增加；中間層是鐵在高溫純水中形成的Fe3O4；氧與金屬反應(yīng)生成Fe2O3，如果有Fe2O3出現(xiàn)意味著有水溶氧存在。

b）奧氏體不銹鋼氧化皮隨運行管壁溫度的升高加快，當運行超過其需用溫度時，金屬氧化速度將呈指數(shù)上漲，受熱面超溫運行是導(dǎo)致奧氏體不銹鋼內(nèi)壁氧化皮生成速度快的根本原因。

c）氧化皮和管材的熱膨脹系數(shù)不同，氧化皮膨脹系數(shù)約為0.9×10-6，鋼材約為1.9×10-6。當氧化皮達到一定厚度后，管壁溫度發(fā)生較大變化時，氧化皮就會從金屬本體剝落。所以氧化皮的剝落需要兩個主要條件：一是氧化皮達到一定厚度，如不銹鋼達到0.10mm，鉻鉬鋼達到0.2～0.5mm；二是溫度變化幅度大、速度快、頻度大。

d）管材SA-213TP347H允許的使用溫度為648℃，在保證50℃設(shè)計裕度，一般SA-213TP347H鋼的使用溫度為600℃。對于末級過熱器，其熱源為高溫煙氣，煙氣溫度要高于蒸汽溫度，因此采用SA-213TP347H材質(zhì)的過熱器，其溫度裕度并不高。機組長時間超溫運行，會加速氧化皮的生成。

3 防止奧氏體不銹鋼管受熱面氧化皮剝落的措施

根據(jù)上述奧氏體不銹鋼管氧化皮產(chǎn)生和剝落原因，分析本臺鍋爐的運行中存在的缺陷，并提出了如下相應(yīng)措施，使氧化皮受控剝落，避免設(shè)備損壞。

a）加強鍋爐燃燒調(diào)整，控制爐膛出口煙氣溫度，且煙氣溫度沿寬度方向分布均勻，使管材壁溫不超過590℃。目前超臨界機組鍋爐高溫受熱面多數(shù)采用管材SA-213TP347H，設(shè)計壓力條件下，其報警溫度為648℃，但是沒有考慮管材高溫氧化的問題，實際該型奧氏體不銹鋼加速氧化溫度是590℃。

b）優(yōu)化機組協(xié)調(diào)控制的品質(zhì)，在機組升降負荷時主蒸汽和再熱蒸汽溫度變化率不大于2℃/min，抑制受熱面溫度周期性波動和溫度變化率，減緩氧化皮剝落。

c）加強爐膛吹灰，定期清潔水冷壁和屏式過熱器，增加爐膛和屏式受熱面的吸熱，降低末級過熱器的壁溫。

d）機組啟動期間嚴格監(jiān)視汽水品質(zhì)，防止給水含氧量超標。加氧運行對未達到超臨界參數(shù)環(huán)境的碳鋼和低合金鋼能起到金屬表面鈍化作用，但對超臨界狀態(tài)下使用SA-213TP347H的高溫受熱面來講，提高氧濃度對防止高溫蒸汽氧化不利[3]。

e）機組停機后要嚴禁采用強制冷卻方式。鍋爐受熱面壁溫控制要依據(jù)安裝在頂包內(nèi)的金屬壁溫檢測點來進行。頂包外側(cè)都覆有保溫層，機組停機后散熱量很小，管壁冷卻速度很慢；爐內(nèi)受熱面由于受到通風冷卻，管壁溫度變化速率遠大于頂包內(nèi)管壁溫度變化率，停機過程中所依據(jù)的頂包管壁溫度速率雖然沒有超過要求，但實際爐內(nèi)管壁降溫速率已經(jīng)大大超出技術(shù)措施的規(guī)定值。因此，機組停機后要嚴格按照規(guī)定的時間進行悶爐。

f）利用停機機會對高溫受熱面進行檢查。定期對高溫受熱面彎頭部位拍片檢查，若發(fā)現(xiàn)彎頭處有氧化皮堆積，要及時割管清理或更換處理。

g）汽輪機沖轉(zhuǎn)前利用高、低壓旁路對受熱面進行大流量沖掃。對于超臨界機組，維持分離器壓力7MPa，主蒸汽溫度350℃，低壓旁路閥全開，用高壓旁路閥控制蒸汽流量。吹管過程中要注意高、低旁路出口蒸汽不超溫，且凝汽器不超壓，滿足以上條件下，盡量提高吹管系數(shù)。

4 結(jié)論

該廠1號鍋爐自2012年1月發(fā)生爆管事故后，采取了上述控制措施，到目前為止已經(jīng)安全運行3年多，沒有再發(fā)生過爆管事故，取得了較好的效果。雖然奧氏體不銹鋼管壁氧化皮的生成和剝落是不可避免的過程，但通過鍋爐燃燒調(diào)整等技術(shù)手段，避免受熱面超溫運行，保持壁溫平穩(wěn)變化，減緩氧化皮的生成，實現(xiàn)氧化皮受控剝落，可以因避免氧化皮大量剝落造成的危害。

[1]邊彩霞，周克毅，胥建群，等.鍋爐過熱器蒸汽側(cè)氧化膜瞬態(tài)應(yīng)力的有限元分析[J].動力工程，2008，28（5）：697-700.

[2]沈嘉年，周龍江，李鐵藩，等.水蒸氣加速Fe-Cr合金高溫氧化的作用[J].材料研究學報，1998(2)：128-132.

[3]汪德良，李志剛，柯于進，等.超超臨界參數(shù)機組的水汽品質(zhì)控制[J].中國電力，2005(8)：57-61.

The Successful Experience of Oxide Layer of the Austenitic Stainless Steel Pipe Exfoliating in Controlled

ZHOU Yong1，WANG Zhongzheng2，TIAN Ze3
（1.Shanxi Yuguang Power Generation Co.，Ltd.，Shuozhou，Shanxi 036900；2.Huadian Shuozhou Thermal Power Co.，Ltd.，Shuozhou，Shanxi 030001，China；3.Shanxi Electric Power Zhangze Co., Ltd.Tonghua Power Generation Com pany，Xinzhou，Shanxi 034114，China）

Oxide layer exfoliation ofaustenitic stainless steel is theworld difficultproblem to dealwith.In this paper,according to the tube-burstof criticalboiler final superheater in a Shanxiplant，the reasons ofoxide layer formation and exfoliation are analyzed.The measures to render the oxide layerexfoliation in controlare summarized,which could provide references for theunitof the same type.

supercritical；high temperatureheating surface；oxide layer

TM621.2

A

1671-0320（2015）05-0054-03

2015-05-23，

2015-07-15

周 勇（1977），男，吉林四平人，2000年畢業(yè)于長春工程學院發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)，助理工程師，從事發(fā)電廠運行管理工作；

王中正（1962），男，山西懷仁人，1983年畢業(yè)于大同技校熱能動力專業(yè)，工程師，從事發(fā)電廠工程管理工作；

田 澤（1977），男，山西朔州人，2002年畢業(yè)于山西大學工程學院電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，工程師，從事電廠運行管理工作。