超超臨界機(jī)組氧化皮脫落成因分析及防治

高波

超超臨界機(jī)組氧化皮脫落成因分析及防治

高 波

（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 托克托 010206）

摘 要：為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的用電需求，發(fā)電企業(yè)不斷改進(jìn)發(fā)電設(shè)施，相繼投運(yùn)了高參數(shù)的超超臨界機(jī)組。但是超超臨界機(jī)組在提高電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，因?yàn)殚L(zhǎng)期運(yùn)行在高溫高壓下而增加了鐵和水蒸汽的反應(yīng)速率，導(dǎo)致產(chǎn)生氧化皮。氧化皮在脫落后會(huì)嚴(yán)重影響到機(jī)組的穩(wěn)定和安全運(yùn)行，甚至造成嚴(yán)重的安全事故，需要采取措施積極防治。本文主要分析超超臨界機(jī)組氧化皮脫落的成因，并提出防治措施。

關(guān)鍵詞：超超臨界機(jī)組 氧化皮脫落 成因與防治

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）11-0-01

引言

21世紀(jì)超超臨界機(jī)組在環(huán)保趨勢(shì)加深和燃料成本不斷提高的情況下，成為提高發(fā)電企業(yè)發(fā)電量的重要設(shè)施。但是，氧化皮脫落導(dǎo)致超超臨界機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)諸多問(wèn)題，比如侵蝕葉片固體顆粒、卡澀汽輪機(jī)主汽門(mén)、堆積在節(jié)流短管和彎管處造成堵塞等等，嚴(yán)重威脅到機(jī)組正常的運(yùn)行，特別是在冬季運(yùn)行的供熱機(jī)組。金屬材料和水蒸汽在高溫高壓下會(huì)增加反應(yīng)速率，從而在高溫受熱面產(chǎn)生氧化皮，氧化皮厚度和運(yùn)行時(shí)間成正比，這是有研究已經(jīng)證明的結(jié)論。而氧化皮的脫落經(jīng)常發(fā)生在鍋爐參數(shù)變化較大或者是啟動(dòng)和停止機(jī)組運(yùn)行的時(shí)候，為了避免氧化皮脫落造成的嚴(yán)重后果，必須分析其形成和脫落原因，并采取防治措施。

一、氧化皮形成和脫落的原因

1.氧化皮形成和脫落的化學(xué)反應(yīng)

氧化皮形成和脫落出現(xiàn)的位置是高溫蒸汽管內(nèi)壁，決定因素是通流部件的材質(zhì)和運(yùn)行工況的變化[1]。在學(xué)界內(nèi)公認(rèn)的化學(xué)反應(yīng)是如下：

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2

3Fe+2O2=Fe3O4

機(jī)組一般在實(shí)際運(yùn)行二十多個(gè)小時(shí)后，其內(nèi)部的氧氣含量就基本上沒(méi)有了，這個(gè)時(shí)候就是在金屬表面形成了致密氧化皮。而給水中的含氧量在計(jì)算后發(fā)現(xiàn)也無(wú)法滿足能夠?qū)崿F(xiàn)金屬氧化的含氧量，因此發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)式是氧氣氧化機(jī)理化學(xué)反應(yīng)。

2.形成氧化皮的原因

高溫蒸汽管里形成了兩層氧化膜，包括內(nèi)層的原生膜和外層的延伸膜。原生膜主要是黑色的氧化鐵，是水蒸汽和鐵之間直接氧化形成的；延伸膜的形成是Fe離子向外擴(kuò)散而蒸汽中的O離子向內(nèi)擴(kuò)散而形成的，在不同的溫度下形成的氧化膜結(jié)構(gòu)不同。在570攝氏度以下，氧化膜的結(jié)構(gòu)由內(nèi)向表面是四氧化三鐵、三氧化二鐵，其中四氧化三鐵能夠?qū)︿摬钠鸬揭欢ǖ谋Ｗo(hù)作用；在570攝氏度以上，氧化膜結(jié)構(gòu)由內(nèi)向鋼表面是三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化鐵，其中氧化鐵具有不致密性，其疏松的結(jié)構(gòu)、缺陷較多的晶格，表明這種氧化層是不穩(wěn)定的。

3.氧化皮出現(xiàn)脫落的原因

對(duì)氧化皮脫落產(chǎn)生影響的因素主要有五個(gè)，包括：蒸汽中含有的氧氣量、金屬壁溫或者蒸汽溫度、開(kāi)啟和停止鍋爐的方式與頻率、氧化皮厚度、合金熱膨脹系數(shù)。氧化皮脫落的一般規(guī)律為：（1）氧化皮增加厚度和運(yùn)行時(shí)間成正比，與脫落應(yīng)變值成反比，氧化皮厚度在超過(guò)一定的臨界值后就會(huì)發(fā)生脫落，發(fā)生脫落時(shí)的氧化皮厚度就稱(chēng)為臨界厚度。通常情況下百分之七十的奧氏體鋼氧化皮在厚度為0.1毫米時(shí)會(huì)出現(xiàn)脫落，百分之百發(fā)生脫落的氧化皮厚度為0.15毫米，而鉻鉬鋼在氧化皮厚度達(dá)到0.2到0.5毫米時(shí)會(huì)百分之百出現(xiàn)脫落；（2）在吸收熱量相同的情況下，如果金屬氧化物熱膨脹的系數(shù)與合金差異較大時(shí)，越有可能出現(xiàn)氧化皮脫落；（3）在蒸汽溫度被擾動(dòng)比較嚴(yán)重時(shí)，氧化膜表面的應(yīng)力會(huì)有比較大的變化，出現(xiàn)脫落的概率比較高，因此需要對(duì)開(kāi)啟、暫停鍋爐時(shí)的蒸汽溫度加強(qiáng)控制，減少氧化皮脫落；（4）超超臨界鍋爐現(xiàn)在采用的運(yùn)行方式是微氧運(yùn)行，在加氧上要注意，如果加得少，無(wú)法產(chǎn)生光滑而連續(xù)的致密氧化膜；如果加得多，額外的氧會(huì)進(jìn)入過(guò)熱器，進(jìn)而使高溫過(guò)熱器里面的氧化皮生成速度加快，通常情況下鍋爐的給水含氧量控制在每升20到60微克即可[2]。

二、超超臨界機(jī)組氧化皮脫落的危害

超超臨界機(jī)組氧化皮脫落造成的危害是巨大的，主要表現(xiàn)在：

1.脫落的氧化皮會(huì)對(duì)管道造成堵塞，導(dǎo)致與之相應(yīng)的受熱面管壁金屬出現(xiàn)超溫，強(qiáng)迫機(jī)組暫停運(yùn)行；

2.氧化皮的長(zhǎng)期脫落會(huì)導(dǎo)致管壁薄化、強(qiáng)度也變差，最后出現(xiàn)爆管；

3.一些設(shè)備上脫落的氧化皮是固體顆粒而且比較堅(jiān)硬，比如再熱蒸汽管道、再熱器、鍋爐過(guò)熱器等，會(huì)對(duì)汽輪機(jī)通流部分的旁路閥、主汽閥、動(dòng)葉片、噴嘴等造成嚴(yán)重?fù)p傷，同時(shí)也會(huì)降低汽輪機(jī)通流位置的效率，在特別嚴(yán)重的情況下，必須將葉片更換；

4.氧化膜的脫落縮短了檢修周期，提高維護(hù)費(fèi)用；

5.有些機(jī)組降低參數(shù)運(yùn)行來(lái)減緩氧化皮的脫落速度，降低了超超臨界機(jī)組的運(yùn)行效率。這些狀況都會(huì)使超超臨界機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和安全性大大降低，造成企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)企業(yè)的健康發(fā)展造成一定影響。

三、防治超超臨界機(jī)組氧化皮脫落的措施

在分析超超臨界機(jī)組出現(xiàn)氧化皮脫落的原因后，需要采取一定的防治措施來(lái)應(yīng)對(duì)，降低氧化皮脫落的概率，從而保證超超臨界機(jī)組能夠正常、穩(wěn)定地運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命。

1.在設(shè)計(jì)和調(diào)試基建階段做好防治工作

在設(shè)計(jì)和調(diào)試階段采取的防治措施有：（1）將熱偏差允許的范圍明確寫(xiě)到鍋爐合同中，并將其作為驗(yàn)收試驗(yàn)鍋爐性能的主要指標(biāo)；（2）在設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)，請(qǐng)專(zhuān)業(yè)的第三方人員計(jì)算熱力系統(tǒng)；（3）選擇的金屬材料最好是能夠耐氧化的合金；（4）在管壁內(nèi)表面鍍鉻是延長(zhǎng)金屬表面氧化皮生成和脫落時(shí)間的有效方法，不過(guò)這種方法存在高費(fèi)用和高污染等不足，比較難以推廣；（5）氧化膜層鉻元素質(zhì)量濃度的提高可以采用內(nèi)部噴丸處理，這種處理方式能夠有效抑制在表面生成鐵氧化物，使鉻元素發(fā)生氧化的臨界濃度有效降低，可以更好地生成單一的 Cr2O3膜[3]。比如采用噴丸處理 TP347H 鋼后，氧化膜鉻含量得到大幅度提升，生成了富鉻氧化層，生成氧化膜的速度有效降低；（6）在設(shè)計(jì)旁路選型與熱控系統(tǒng)時(shí)，一是要達(dá)到機(jī)組熱態(tài)與極熱態(tài)的開(kāi)啟要求，二是要達(dá)到機(jī)組運(yùn)行后每次啟動(dòng)時(shí)汽水系統(tǒng)大容量沖洗的規(guī)格，尤其是在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)；（7）調(diào)查我國(guó)相似類(lèi)型的鍋爐在哪個(gè)環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)超溫爆管的情況，在這些環(huán)節(jié)加裝對(duì)工質(zhì)溫度的測(cè)點(diǎn)和對(duì)壁溫的測(cè)點(diǎn)；（8）在進(jìn)行鍋爐的燃燒調(diào)整實(shí)驗(yàn)、水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)和空氣動(dòng)力場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須要嚴(yán)格，按照規(guī)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不能與制造商規(guī)定的要求相差太大；（9）及時(shí)進(jìn)行吹管和酸洗等操作，要及時(shí)清除干凈易脫落的氧化皮，以免在機(jī)組投運(yùn)后受到影響。

2.在機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行階段做好防治工作

機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行階段防治氧化皮脫落的具體措施有：（1）在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，要監(jiān)控好工質(zhì)溫度和金屬壁溫，嚴(yán)禁在超過(guò)規(guī)定溫度時(shí)運(yùn)行。在啟動(dòng)和停止鍋爐時(shí)，對(duì)升降溫、升降壓的速率進(jìn)行嚴(yán)格把控，如果機(jī)組的帶負(fù)荷比額定負(fù)荷的百分之二十還低時(shí)，最好不要采用減溫水；（2）對(duì)鍋爐橫斷面的溫度偏差要進(jìn)行嚴(yán)格把控，控制溫度的主要方面是管壁溫機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行階段防治氧化皮脫落的具體措施有：（1）在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，要監(jiān)控好工質(zhì)溫度和金屬壁溫，嚴(yán)禁在超過(guò)規(guī)定溫度時(shí)運(yùn)行。在啟動(dòng)和停止鍋爐時(shí)，對(duì)升降溫、升降壓的速率進(jìn)行嚴(yán)格把控，如果機(jī)組的帶負(fù)荷比額定負(fù)荷的百分之二十還低時(shí)，最好不要采用減溫水；（2）對(duì)鍋爐橫斷面的溫度偏差要進(jìn)行嚴(yán)格把控，控制溫度的主要方面是管壁溫度，避免管壁溫度超過(guò)規(guī)定溫度是最為重要的目標(biāo)；（3）熱控自動(dòng)化水平需要再提高，在所有工況中都最好不要讓工作人員實(shí)施手動(dòng)操作，盡量不要出現(xiàn)不正常的停機(jī)；（4）在因?yàn)槭鹿识鴮?dǎo)致停機(jī)后，需要采取的措施是“悶爐”，盡量將鍋爐的溫度和壓力保持在停機(jī)前，與此同時(shí)要對(duì)出現(xiàn)事故的原因進(jìn)行調(diào)查和處理，盡快啟動(dòng)機(jī)組的熱態(tài)或者極熱態(tài)；（5）機(jī)組啟動(dòng)和暫停的次數(shù)應(yīng)該盡可能減少，尤其是冷態(tài)啟動(dòng)的次數(shù)；（6）對(duì)加氧要加強(qiáng)控制，保障汽水的質(zhì)量；（7）在啟動(dòng)已經(jīng)安裝有等離子點(diǎn)火裝置的鍋爐時(shí)，最好在點(diǎn)火初期投用一到兩支油槍實(shí)施暖爐，慢慢地提高爐膛的溫度，在鍋爐的溫度達(dá)到指標(biāo)時(shí)在投進(jìn)煤粉；（8）有的鍋爐已經(jīng)出現(xiàn)了氧化皮的大面積脫落，針對(duì)這些鍋爐最好是降低溫度運(yùn)行，降低的溫度基準(zhǔn)是管壁溫度在規(guī)定值以下；（9）在啟動(dòng)鍋爐時(shí)，如果有條件最好吹掃氧化皮，保障后期鍋爐的正常運(yùn)行。如果一些機(jī)組在投運(yùn)后不久就出現(xiàn)比較嚴(yán)重的氧化皮生成和脫落，那么可以采取的措施是重新對(duì)鍋爐進(jìn)行嚴(yán)格吹管與酸洗，從而將氧化皮徹底清除掉，為了實(shí)現(xiàn)這一操作需要重新安裝臨吹管道。如果一些機(jī)組選擇了大容量的旁路系統(tǒng)，那么可以用旁路的“替代吹管”大容量清晰鍋爐汽水管道，其清洗的容量能夠達(dá)到百分之四十到百分之六十的質(zhì)量流量。

四、結(jié)語(yǔ)

超超臨界機(jī)組出現(xiàn)氧化皮脫落的原因比較復(fù)雜，包括開(kāi)啟和停止鍋爐的方式與頻率、氧化皮厚度等都是影響因素，而且其出現(xiàn)是很難避免的，會(huì)嚴(yán)重影響到發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。技術(shù)人員要從設(shè)計(jì)和調(diào)試階段、鍋爐運(yùn)行階段加強(qiáng)防治氧化皮的生成與脫落，保障超超臨界機(jī)組的健康運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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[2]何誠(chéng)，楊守偉，樊旭.超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器氧化皮脫落導(dǎo)致爆管的原因分析及對(duì)策[J]. 河北電力技術(shù)， 2010， 29（5）：29-30.

[3]邱嵩. 660MW超超臨界機(jī)組鍋爐氧化皮的產(chǎn)生及預(yù)防控制[J]. 工程技術(shù)：全文版， 2016（12）：00278-00279.