超臨界直流鍋爐氧化皮脫落原因及預(yù)防措施

朱啟波 金永強(qiáng) 楊旭

【摘要】隨著電力技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的容量越來越大，參數(shù)也越來越高，其中超臨界直流鍋爐就是一種常見的機(jī)型。在超臨界鍋爐的運(yùn)行過程中，常常由于高溫受熱而使氧化皮脫落，嚴(yán)重影響了設(shè)備的質(zhì)量和運(yùn)行效率。如果沒有對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的處理，就會(huì)出現(xiàn)鍋爐傳熱惡化現(xiàn)象，極大的降低了汽輪機(jī)的運(yùn)行效率。為此本文主要對(duì)超臨界直流鍋爐氧化皮脫落的原因進(jìn)行具體分析，并提出了針對(duì)性的預(yù)防措施，希望給相關(guān)工作人員提供參考和幫助。

【關(guān)鍵詞】超臨界直流鍋爐；氧化皮脫落；原因和預(yù)防措施

超臨界直流鍋爐內(nèi)部受熱面在高溫作用下形成氧化層，氧化層脫落現(xiàn)象比較常見，這就要求在使用鍋爐的過程中加強(qiáng)對(duì)這項(xiàng)問題的重視，并采取有效的預(yù)防措施，以避免由于氧化層脫落而產(chǎn)生的堵塞和爆管現(xiàn)象，進(jìn)而保障鍋爐的正常運(yùn)行。

1、超臨界直流鍋爐以及氧化層形成機(jī)理

1.1超臨界直流鍋爐概述

鍋爐內(nèi)工質(zhì)壓力處在臨界點(diǎn)之上時(shí)的鍋爐即超臨界直流鍋爐。一般情況下鍋爐內(nèi)工質(zhì)都為水，22.115MPa、374.15℃是水的臨界壓力和臨界溫度，處在這個(gè)狀態(tài)下的水和蒸汽其轉(zhuǎn)化為汽化的潛熱為零，鍋爐內(nèi)工質(zhì)壓力在22.115MPa之下即亞臨界鍋爐，鍋爐內(nèi)工質(zhì)壓力在26MPa上即超臨界直流鍋爐[1]。

1.2超臨界直流鍋爐氧化層的形成機(jī)理

超臨界直流鍋爐運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)的溫度達(dá)到550℃—570℃，而這一溫度正好處在水蒸氣氧化能力極強(qiáng)的區(qū)間之內(nèi)，在處于這個(gè)溫度時(shí)水蒸氣對(duì)于金屬物質(zhì)的受熱面氧化能力比空氣的氧化能力要強(qiáng)十幾倍，因此很容易在超臨界直流鍋爐的內(nèi)壁上發(fā)生氧化作用，從而形成氧化層。在超臨界直流鍋爐內(nèi)，高溫水蒸氣和內(nèi)壁金屬物質(zhì)在550℃—570℃下會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化作用，其內(nèi)壁金屬物質(zhì)生成氧化物的主要化學(xué)反應(yīng)過程為：

首先發(fā)生3Fe3+4H2O=Fe3O4+4H2反應(yīng)，同時(shí)在超臨界直流鍋爐內(nèi)高溫水蒸汽和金屬鐵之間，還可能存在Fe+2H2O=FeO2+2H2、O2+2H2=2H2O、Fe（Fe2+）+O2（O2-）=FeO三種化學(xué)反應(yīng)的平衡，致使超臨界直流鍋爐內(nèi)壁的金屬鐵不斷被氧化為氧化鐵變成氧化層。在超臨界直流鍋爐的內(nèi)高溫再熱器和高溫過熱器管內(nèi)有高溫蒸汽通過時(shí)，金屬Fe就會(huì)和高溫水蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一開始形成Fe3O4，F(xiàn)e3O4會(huì)形成一層氧化膜，同時(shí)這層氧化膜還是富有韌性和致密的，在這層膜形成之后，鍋爐內(nèi)壁的鐵被氧化的速度就減慢。隨著氧化反應(yīng)時(shí)間的不斷加長，這層氧化就會(huì)變成由多層的Fe3O4、Fe2O3和FeO組成，而當(dāng)水蒸汽溫度在565℃之下時(shí)氧化膜多為Fe3O4和Fe2O3；當(dāng)水蒸氣溫度在565℃以上時(shí)氧化膜多為FeO。

2、超臨界直流鍋爐氧化皮的脫落原因分析

2.1爐管材質(zhì)的性能存在差異

目前大多數(shù)的超臨界直流鍋爐的爐管都以合金為主，合金中Cr的含量多少?zèng)Q定了爐管材料的不同，進(jìn)而決定其抗氧化性和耐熱性的性能不同，在使用超臨界直流鍋爐時(shí)通常需要根據(jù)實(shí)際使用的環(huán)境，選用最合適的Cr含量的爐管，來避免爐管的氧化過快。然而如果爐管的使用環(huán)境和Cr含量之間并沒有合理的匹配，就會(huì)導(dǎo)致在鍋爐運(yùn)行的過程中發(fā)生氧化速度極快的現(xiàn)象，進(jìn)而氧化層的生產(chǎn)加速，導(dǎo)致行程的氧化層的快速脫落。

2.2管壁溫度過高

很多超臨界直流鍋爐的內(nèi)壁已經(jīng)有了很厚氧化層，但仍然在繼續(xù)使用，這會(huì)導(dǎo)致氧化層很厚處的爐壁實(shí)際厚度增加，進(jìn)而導(dǎo)致爐管的局部溫度升高，又促使氧化反應(yīng)加速，氧化層厚度繼續(xù)增加，這樣的惡性循環(huán)會(huì)致使氧化層厚度達(dá)到一定程度之后發(fā)生大面積的脫落。

2.3機(jī)組啟停的熱應(yīng)力

在超臨界直流鍋爐的正常啟動(dòng)和停止中都需要大量的熱負(fù)荷，來實(shí)現(xiàn)水循環(huán)流量達(dá)到鍋爐啟停所需的流量，啟停時(shí)高熱負(fù)荷作用的影響下，超鍋爐管會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的干燒狀態(tài)，氧化層就極易脫落。另外，若鍋爐停止運(yùn)行，鍋爐內(nèi)的溫度迅速降低，會(huì)使得鍋爐內(nèi)的負(fù)荷量瞬間降低，這會(huì)和鍋爐機(jī)組在運(yùn)行時(shí)的熱負(fù)荷量產(chǎn)生巨大的落差，也可形成熱應(yīng)力，進(jìn)而致使超臨界直流鍋爐管的氧化反應(yīng)加速和脫落加速。

3、超臨界直流鍋爐氧化皮脫落的預(yù)防措施

3.1科學(xué)選擇鍋爐材質(zhì)

超臨界直流鍋爐發(fā)生氧化反應(yīng)和氧化層脫落與超臨界直流鍋爐的自身材料有著極其重要的聯(lián)系，因此在對(duì)超臨界直流鍋爐的材料選擇和設(shè)計(jì)時(shí)，必須做到科學(xué)合理，目前高晶粒度等級(jí)的鋼材是較好的鍋爐材料選擇?，F(xiàn)階段，國內(nèi)的鍋爐制造材料多采用國內(nèi)生產(chǎn)的鋼材，然而目前國內(nèi)生產(chǎn)的鋼材在其晶粒度上和國外先進(jìn)鋼材的晶粒度還存在著一定的差距，所以在鍋爐鋼材選擇要盡量選擇晶粒度等級(jí)高的鋼材[2]。另外，除了晶粒度等級(jí)之外，鍋爐制作材料的抗高溫性和抗氧性也是非常重要的影響因素。因此超臨界直流鍋爐制造企業(yè)在對(duì)鍋爐鋼材的選擇時(shí)，要積極引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，提升我國鋼料的晶粒度等級(jí)和抗高溫性、抗氧化性。

3.3改善安裝工藝，控制焊接條件

要保障超臨界直流鍋爐氧化層形成以及氧化層脫落問題的有效控制，在超臨界直流鍋爐的安裝過程中就需要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格規(guī)范。首先，對(duì)于安裝工人的專業(yè)技能、安裝技術(shù)要有明確的要求，尤其是過熱器、再熱器等容易出現(xiàn)偏差的地方更要安裝得特別精準(zhǔn)；其次，在安裝之前要再次確定鍋爐爐體質(zhì)量的過關(guān)，確定爐管內(nèi)沒有異物，確定安裝環(huán)境的適合，在安裝完成之后為了保障穩(wěn)定性還需要對(duì)疏水管、爐管等重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行檢查；最后，在超臨界直流鍋爐焊接時(shí)要保障焊接質(zhì)量，避免不同類型的鋼材進(jìn)行焊接。

4.3加強(qiáng)超臨界直流鍋爐的管理

加強(qiáng)運(yùn)行環(huán)節(jié)超臨界直流鍋爐的管理也是有效減少鍋爐氧化層形成和脫落的有效途徑之一。首先，加強(qiáng)鍋爐的日常管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)氧化層的形成和脫落現(xiàn)象，究其原因并解決，可有效地降低可能出現(xiàn)的問題；其次，加強(qiáng)對(duì)超臨界直流鍋爐的汽水質(zhì)量檢查監(jiān)督；最后，可以對(duì)現(xiàn)有的超臨界直流鍋爐的運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化。定期對(duì)鍋爐采取吹灰工作，保持鍋爐的清潔，避免局部過熱而產(chǎn)生氧化層形成和脫落問題。同時(shí)對(duì)超臨界直流鍋爐機(jī)組的使用投入量要盡可能的達(dá)到100%，提高超臨界直流鍋爐的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)語：

總之，超臨界直流鍋爐運(yùn)行過程中氧化層脫落的形成原因有很多，我們要對(duì)這些問題進(jìn)行分析，科學(xué)選擇鍋爐材質(zhì)，改善安裝工藝，控制焊接條件，加強(qiáng)管理等，以有效控制超臨界直流鍋爐氧化層的形成和脫離，進(jìn)而保障鍋爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]高歡，李峰. 超臨界直流鍋爐氧化皮脫落原因及預(yù)防措施分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015，（27）：116.

[2]陳媛，王旭. 超（超）臨界鍋爐氧化皮脫落原因分析及防治措施[J]. 華電技術(shù)，2013，（01）：1-3+6+78.

（作者單位：貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司）