600 MW超臨界鍋爐高溫管屏蒸汽氧化探析

高清林，陳敦炳，黃慶專，張仁金

（1.福建電力職業(yè)技術(shù)學院，福建 泉州 362000；2.福建華電可門發(fā)電有限公司，福建 福州 350512）

600 MW超臨界鍋爐高溫管屏蒸汽氧化探析

高清林1，陳敦炳2，黃慶專1，張仁金1

（1.福建電力職業(yè)技術(shù)學院，福建 泉州 362000；2.福建華電可門發(fā)電有限公司，福建 福州 350512）

分析了600 MW超臨界鍋爐高溫管屏蒸汽氧化及其氧化皮剝落機理和影響因素，總結(jié)了氧化皮的生成、剝落和堆堵對鍋爐安全運行的危害，并從管材的選擇及其熱處理和鍋爐設(shè)備的設(shè)計、運行等環(huán)節(jié)入手，提出了減緩氧化皮生成、防止氧化皮集中脫落、避免因氧化皮堆堵而導致鍋爐高溫管屏超溫爆管的預(yù)防措施。

超臨界鍋爐；高溫管屏；蒸汽氧化；爆管

隨著火電機組不斷向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，近幾年全國各地相繼投入了大量的600 MW超臨界機組。蒸汽溫度和壓力的提高，使鍋爐高溫管材的蒸汽氧化問題日益突出，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

爐管因蒸汽氧化而爆管的原因一是氧化皮的生成；二是氧化皮的脫落；三是脫落的氧化皮堆積后引起汽流阻塞，最終導致爐管過熱爆管。

1 氧化皮的生成、脫落和堆堵

運行中的爐管內(nèi)壁在高溫蒸汽的作用下會不斷氧化并形成氧化皮，氧化皮附著在管壁上并在運行中不斷增厚。當氧化皮達到一定厚度后，在外界擾動作用下將脫落，脫落后的氧化皮可能在管中形成堆積堵塞現(xiàn)象。

1.1 氧化皮的生成

金屬的氧化過程是通過離子的擴散進行的。當含Cr合金鋼爐管長時間通流高溫高壓的蒸汽時，在氧化的初始階段，活性較高的Cr3＋很快擴散到管子內(nèi)表面，并與蒸汽中的O2-反應(yīng)生成Cr2O3氧化膜，這層薄而致密的氧化膜阻止了管子內(nèi)壁的進一步氧化。隨著時間延長，Cr2O3氧化膜以下的基體金屬也相應(yīng)發(fā)生了Cr的貧化，同時，在超溫或溫度、壓力劇烈波動等情況下，表層Cr2O3氧化膜會出現(xiàn)細微的裂紋，基體中的Fe2＋和Fe3＋便向Cr2O3氧化膜外擴散，并與蒸汽中的O2?反應(yīng)生成氧化皮［1］。

當管壁溫度在570℃以下時，生成的氧化皮由內(nèi)層的Fe3O4和外層的Fe2O3組成，F(xiàn)e3O4和Fe2O3的結(jié)晶結(jié)構(gòu)較為致密，離子在其中的擴散速度很慢，氧化速度也較為緩慢；當管壁溫度超過570℃時，基體中的Fe2＋和Fe3＋進一步通過內(nèi)層的Fe3O4向外擴散，而蒸汽中的O2-也通過外層的Fe2O3向內(nèi)擴散，在Fe3O4和Fe2O3之間的層面上，F(xiàn)e2＋、Fe3＋和O2-反應(yīng)分別生成Fe3O4和Fe2O3，而在Fe3O4層的內(nèi)側(cè)，F(xiàn)e3O4則分解生成FeO，至此，高溫下的氧化皮發(fā)展成由里到外的FeO、Fe3O4、Fe2O33層組成，其厚度比約為100∶10∶1，即氧化皮主要由FeO組成。由于FeO的晶格可置換、不致密，體積很小的金屬離子很容易通過它向外擴散，所以金屬在高溫下的抗氧化性能大大降低。

隨著溫度的升高，各離子的擴散遷移速度加快，離子間的反應(yīng)和Fe3O4分解為FeO的速度也加快，形成的氧化皮加厚。當氧化皮增長到一定厚度后，會在其中產(chǎn)生應(yīng)力，促使其破裂，導致氧化皮與金屬基體分裂，周圍的氧直接侵入內(nèi)部與金屬發(fā)生反應(yīng)，形成“破裂氧化”，且這種氧化過程要比擴散氧化過程快。

1.2 氧化皮的脫落

數(shù)值模擬爐管內(nèi)壁氧化皮的剝落機理，結(jié)果表明，鍋爐爐管內(nèi)壁氧化皮的開裂和剝落，與其所受的應(yīng)力密切相關(guān)。

鍋爐運行中，積聚在管內(nèi)氧化皮上的應(yīng)力如下：

a.合金氧化生成氧化皮時，因體積增大而產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力；

b.在鍋爐啟停及負荷或煙溫波動較大時，因爐管壁沿徑向存在溫度梯度以及氧化皮與基體金屬之間熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的熱應(yīng)力；

c.因爐管內(nèi)汽水兩相流動產(chǎn)生的振動、爐管外煙氣走廊形成的共振以及管壁溫度快速、大幅度變化等附加載荷產(chǎn)生的應(yīng)力［2］。

在溫度變化過程中，當不斷累計的熱應(yīng)力、膨脹應(yīng)力和外載應(yīng)力的總和超過氧化皮的抗拉（抗壓）強度及其與金屬基體的結(jié)合強度時，就會引起氧化皮破裂并從金屬基體上剝離。

1.3 氧化皮的堆堵

在鍋爐穩(wěn)定運行時，受熱面的溫度較穩(wěn)定，不會出現(xiàn)氧化皮的大量剝落，且此時爐管內(nèi)的蒸汽流速也較高，少量剝落的氧化皮隨即被高速汽流擊碎并帶走，一般不會造成氧化皮在爐管中的堆積。但在鍋爐啟?；驕囟?、壓力波動較大時，會造成氧化皮的大量剝落，并可能在爐管中堆積堵塞。

運行經(jīng)驗表明，因氧化皮堆堵而導致爐管超溫爆管現(xiàn)象往往發(fā)生在停爐后的再次啟動過程中［3］。一方面，鍋爐經(jīng)長期運行后形成了一定厚度的氧化皮，在停爐過程中爐管的快速冷卻使大量氧化皮集中脫落，在汽流帶動和氧化皮自身重力的作用下，大塊的氧化皮沉積在U型彎管下彎頭，而停爐后的蒸汽冷凝水也匯聚在U型彎管底部，將剝落的氧化皮淹沒，當鍋爐重新點火后，爐管內(nèi)聚積的冷凝水逐漸蒸干，氧化皮便粘結(jié)成塊狀，堵塞了爐管的流通截面。另一方面，在鍋爐啟動過程中也會導致部分氧化皮脫落和堆積，在啟動初期，首先是尺寸大、強度高的氧化皮在爐管彎頭、變管徑處和聯(lián)箱節(jié)流孔等部位堵塞形成橋架，由于此時爐管內(nèi)的蒸汽流量和流速較小，無法將其破碎并帶走；隨著鍋爐啟動過程的進行，爐管堆積的氧化皮越來越多，此時的蒸汽流量和流速雖有大幅提高，也很難對其產(chǎn)生擾動并帶走。

2 鍋爐過熱爆管

對于薄壁壓力容器，其在工作中受到的環(huán)向應(yīng)力為［4］

式中 σ——管壁上的環(huán)向應(yīng)力，Pa；

P——管內(nèi)蒸汽壓力，Pa；

D——管徑，mm；

t——壁厚，mm。

氧化皮的堆積使爐管通流截面減小，導致其流動阻力增大，流速變慢甚至停滯，使管壁溫度升高，進而加劇氧化皮的脫落，同時，流速變慢也使氧化皮沉積的速度加快。如此惡性循環(huán)，使管壁溫度急劇升高。

在超溫過熱條件下運行的爐管，在溫度和應(yīng)力的復合作用下，其珠光體球化和管材蠕變將加劇，導致爐管脹粗，管徑增大；同時，超溫過熱也加速了爐管表面的氧化，使管壁變薄，這些因素都使爐管實際承受的環(huán)向應(yīng)力增大。可見，超溫過熱條件下運行的爐管由于宏觀形貌和微觀組織的變化，使得管壁實際承受的環(huán)向應(yīng)力增大，而自身的強度卻下降，當作用在管壁上的環(huán)向應(yīng)力超過管材的許用應(yīng)力時，將導致爐管爆破。

3 防止氧化皮堆堵爆管的措施

3.1 爐管選材及其熱處理

3.1.1 管材選擇

爐管抗蒸汽氧化性能的好壞主要取決于其管內(nèi)表面能否形成穩(wěn)定致密的金屬氧化物保護膜。Cr2O3是高溫下熱力學性能較穩(wěn)定且致密的氧化物，當管材合金中的Cr含量達到20%時，合金表面就會形成一層穩(wěn)定致密的Cr2O3保護膜［5-6］，大大增強了其抗高溫蒸汽氧化的性能。因此，在選擇鍋爐管材時，對布置在高溫煙區(qū)的管屏，應(yīng)考慮采用含Cr量較高的TP347HFG、Super304H等合金鋼。

3.1.2 管材熱處理

在奧氏體鋼中，Cr主要沿晶界擴散到表面形成氧化物保護膜，所以晶粒尺寸和表面變形所致的缺陷成為蒸汽氧化行為的主要影響因素。

a.采用特定的熱加工和熱處理工藝，使管材晶粒再細化，以加快Cr離子通過晶界的擴散遷移，加速形成致密的Cr2O3保護膜。

b.對爐管內(nèi)壁進行噴丸處理，可在其內(nèi)表面形成富Cr氧化層，有利于致密的Cr2O3保護膜的形成。

c.對爐管內(nèi)壁鍍Cr或用鉻酸鹽溶液在305℃條件下循環(huán)48 h，也能減緩管內(nèi)氧化皮的生成和剝離［6］。

3.2 改進管屏設(shè)計

a.適當增大管屏彎管的彎曲半徑，以減小氧化皮剝落后在管內(nèi)堆積堵塞的可能性。

b.根據(jù)對同類型鍋爐事故的統(tǒng)計分析，在經(jīng)常超溫爆管的部位增加壁溫測點和超限報警裝置，擴大對爐管運行溫度的監(jiān)控范圍。

c.適當降低末級過熱器和高溫再熱器壁溫超限報警值，以便于運行人員提前進行調(diào)整，降低超溫風險。

d.在高溫管屏進口段加裝節(jié)流圈，以均衡各爐管間的流量分配，減小管屏間和同屏各管間的熱偏差，避免爐管長期超溫運行。

3.3 鍋爐帶旁路啟動

使鍋爐帶旁路啟動，利用旁路盡早建立較大的啟動蒸汽流量，一方面可以減緩啟動過程中爐管的溫度變化，減少爐管內(nèi)氧化皮的大量剝落；另一方面可以對過熱器和再熱器進行充分吹掃，將鍋爐啟停過程中剝落的氧化皮沖走。

3.4 運行中吹掃氧化皮

a.在機組啟動負荷升到500 MW以上時，以20 MW／min的變負荷率多次快速升降負荷，造成蒸汽的不穩(wěn)定流動，以利于沖散氧化皮［7］。

b.停爐過程中可采用熱爐放水，并利用汽輪機真空系統(tǒng)排盡受熱面內(nèi)的蒸汽，利用余熱烘干受熱面，使其內(nèi)側(cè)生成的氧化皮保持干燥、松動狀態(tài)，以利于下次啟動時被蒸汽沖走。

c.在大修前的停爐過程中，適當增大汽溫波動的幅度和速度，以加速氧化皮的脫落，并利用高溫蒸汽流量下的攜帶能力帶走脫落的氧化皮，在檢修時徹底清理。

3.5 嚴禁鍋爐超溫運行

a.通過合理分配各層燃燒器的燃料、改變?nèi)紵鞯臄[角、調(diào)整二次風門的開度、修正中間點的溫度等措施，嚴格控制主、再熱汽溫及其受熱面金屬溫度在合格范圍內(nèi)。

b.嚴格按照規(guī)程要求，把鍋爐各受熱面的熱偏差都控制在允許范圍內(nèi)，防止受熱面局部長期超溫運行。

3.6 嚴格控制溫度變化速率，避免受熱面壁溫大幅波動

a.采用等離子點火技術(shù)的鍋爐，啟動時不宜過早投粉，在點火初期應(yīng)先投油助燃，待蒸汽流量達到100 t／h后再啟磨投粉，以確保溫升均勻，啟動過程中升溫速率應(yīng)控制在2℃／min以內(nèi)。

b.機組熱態(tài)啟動過程中，鍋爐煙風系統(tǒng)應(yīng)與其它系統(tǒng)同步啟動，在爐膛通風結(jié)束后應(yīng)立即點火，并盡快增加燃料量，控制受熱面升溫速率為5～6℃／min，防止煙風系統(tǒng)啟動后的長時間強制冷卻或升溫升壓速度過慢導致受熱面金屬溫度出現(xiàn)大幅回落［8］。

c.鍋爐啟動和正常運行中，升、降負荷應(yīng)平緩，增減燃料和給水量及投退減溫水應(yīng)均勻、緩慢，投粉時應(yīng)確保各級減溫水已具備投入條件。如果升、降負荷的擾動造成汽溫和受熱面壁溫的波動速率超過5℃／min，應(yīng)適當降低機組的升、降負荷速率或暫停升、降負荷，待溫度調(diào)整穩(wěn)定后再繼續(xù)進行變負荷操作。

d.鍋爐正常運行時，一、二級減溫水、燃燒器擺角和再熱器煙氣擋板應(yīng)處于可調(diào)整的中間位置，再熱器事故減溫水應(yīng)處于良好的備用狀態(tài)，隨時應(yīng)對爐膛熱工況擾動，防止受熱面壁溫大幅波動和超溫。

e.汽溫調(diào)節(jié)盡量采用調(diào)整燃燒器擺角和再熱器煙氣擋板，當需要噴水減溫時，應(yīng)優(yōu)先使用一級減溫水，慎用二級減溫水，并通過改進自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)減溫水提前操作，嚴禁減溫水脈沖式變化。

f.機組正常停機宜采用滑停方式，滑停過程中蒸汽的溫降速率應(yīng)控制在2℃／min以內(nèi)，并注意及時調(diào)整各級減溫水量。

4 注意事項

a.在燃燒配風調(diào)整中，若SOFA風的水平反切角度未合理調(diào)整或因考慮煤粉燃盡問題而把最上面的幾層SOFA風門關(guān)小甚至全關(guān)，將會削弱SO?FA風的消旋作用。

b.鍋爐吹灰蒸汽溫度不能太低，以免鍋爐受熱面因受到劇烈冷卻而造成氧化皮提前脫落。

c.嚴禁鍋爐爆管后繼續(xù)運行或緊急停爐。

d.鍋爐MFT后吹掃風量應(yīng)控制在30%以內(nèi)，并嚴格控制吹掃時間，當吹掃完成后，應(yīng)及時停運送、引風機；盡量避免通風冷卻，若因鍋爐搶修需要，應(yīng)在爐膛溫度降至180℃以下方可進行通風（冬季環(huán)境溫度較低，應(yīng)等爐膛溫度降至150℃才能進行通風）；在機組強制冷卻搶修后，應(yīng)進行受熱面氧化皮檢查清理。

e.機組采用滑參數(shù)停機時，應(yīng)特別注意低負荷時汽溫的控制，在停機最后階段應(yīng)注意控制煤倉的煤位，當煤倉燒空時應(yīng)及時調(diào)整其余磨的出力，并維持一次風壓等參數(shù)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

超臨界直流鍋爐高溫管屏蒸汽氧化不可避免，重要的是有效減緩氧化皮的生成，并避免氧化皮的集中剝離。氧化皮的生成速度主要取決于金屬管壁溫度，鍋爐超溫運行將會使爐管蒸汽氧化的速度加快，而氧化皮的剝落主要取決于氧化皮與金屬基體的溫差，爐管壁溫的急劇變化將會加劇氧化皮與基體金屬間的溫差，導致管內(nèi)氧化皮大面積脫落。因此，控制爐管壁溫是治理鍋爐高溫管屏蒸汽氧化的關(guān)鍵。

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Approach and Analysis on Steam Oxidation of High Temperature Tube Panels for 600 MW Supercritical Pressure Boilers

GAO Qing?lin1，CHEN Dun?bing2，HUANG Qing?zhuan1，ZHANG Ren?jin1
（1.Fujian Electric Vocational and Technical College，Quanzhou，F(xiàn)ujian 362000，China；2.Fujian Huadian Kemen Power Generation Company Limited，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350512，China）

The paper analyzes the mechanism and influence factors of steam oxidation and oxide coating peeling on high temperature tube panels of 600 MW supercritical pressure boiler.It summarizes the harm to the safe operation of the boiler because of causing，peeling off and accumulation jam of oxide coating.It also puts forward the precaution and control measures to reduce the oxide coating production，preventing the centralized peeling of oxide coating，avoiding explosion of the high temperature tube panel due to oxide coating accumulation jam，with aspects to the selection of tube material，to the design and operation of the boiler equipment etc.

Supercritical pressure boiler；High temperature tube panel；Steam oxidation；Tube cracking

TK229.2

A

1004-7913（2015）03-0038-04

福建電力職業(yè)技術(shù)學院科技項目（2013KY003）

高清林（1965—），男，碩士，教授，主要從事火電廠金屬材料教學與科研工作。

2014-11-25）