亞臨界機(jī)組鍋爐氧化皮產(chǎn)生原因及預(yù)防措施

華毅等

摘要： 結(jié)合亞臨界機(jī)組鍋爐運(yùn)行、檢修的總結(jié)，對(duì)末級(jí)過(guò)熱器管排的取樣進(jìn)行了金相分析、硬度測(cè)定、氧化皮檢查，分析了氧化皮的生成及剝落原因式，并提出了控制氧化皮形成和剝落在運(yùn)行及檢修中的預(yù)防措施。

Abstract： Combined with the summary of the subcritical boiler operation and maintenance， metallographic analysis， hardness measurement and scale check are done to the sample of final stage superheater tube. The causes for the formation and spalling of the scale are analyzed and measures to control scale in operation and maintenance are put forward.

關(guān)鍵詞： 亞臨界鍋爐；氧化皮；防范措施

Key words： subcritical boiler；scale；prevention measures

中圖分類號(hào)：TK223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）28-0039-02

0 引言

隨著亞臨界300MW燃煤機(jī)組的大量投產(chǎn)及長(zhǎng)期的運(yùn)行，鍋爐高溫受熱面蒸汽通道氧化皮問(wèn)題成為鍋爐爆管的主要原因之一，同時(shí)也帶來(lái)了傳熱惡化、汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕、汽門卡澀、葉片損壞等諸多問(wèn)題，成為大容量發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的極大困擾和障礙[1-2]。為了了解電站鍋爐氧化皮形成與剝離的原理和規(guī)律，提出有效的預(yù)防和解決措施，提高機(jī)組的可用率和安全經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于發(fā)電廠的管理和工程技術(shù)人員而言，充分認(rèn)識(shí)氧化皮的生成機(jī)制和剝落特性，并從運(yùn)行、檢測(cè)和維護(hù)、檢修等方面采取有效措施，降低氧化皮造成的損害，已經(jīng)成為提升機(jī)組管理水平的當(dāng)務(wù)之急。

1 設(shè)備概況

安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司一期工程2×300MW機(jī)組，鍋爐是由上海鍋爐廠引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)制造的亞臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，一次中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)，擺動(dòng)燃燒四角切圓燃燒方式。水冷壁采用內(nèi)螺紋垂直上升膜式水冷壁、爐水循環(huán)泵啟動(dòng)。爐膛采用封閉布置，全懸吊結(jié)構(gòu)，固態(tài)排渣，全鋼構(gòu)架。末級(jí)過(guò)熱器壁管子規(guī)格為Ф51×7.5，材質(zhì)為鋼102（12Cr2MoWVTiB），抗氧化溫度600℃，最高允許溫度584℃，運(yùn)行控制溫度為577℃。截止2013年1月，#1機(jī)組累計(jì)運(yùn)行62046小時(shí)。

2 氧化皮脫落經(jīng)過(guò)及檢測(cè)分析

2.1 氧化皮脫落經(jīng)過(guò) 2012年11月12日#1機(jī)調(diào)停消缺， 11月15日21：00分，#1機(jī)啟動(dòng)后帶負(fù)荷至200MW后，發(fā)現(xiàn)末級(jí)過(guò)熱器壁溫測(cè)點(diǎn)6（固27排）與相鄰測(cè)點(diǎn)5（固22排）、測(cè)點(diǎn)7（固32排）壁溫顯示異常，與相鄰點(diǎn)差30-40℃，隨負(fù)荷的變化該點(diǎn)壁溫顯示值高達(dá)600-610℃。經(jīng)分析認(rèn)為：壁溫顯示異常的影響因素主要有以下兩個(gè)方面：①熱控測(cè)量異常；②該測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的管子內(nèi)部有異物堵塞，流通的蒸汽減少使該測(cè)點(diǎn)溫度異常升高。根據(jù)上述情況，初步判斷為管子內(nèi)部最大可能是在彎頭部位存在異物（氧化皮脫落沉積），從而造成管子內(nèi)部通流面積減少，汽流量減少，造成壁溫較高，綜合考慮：目前此路環(huán)管中汽流量相比其它環(huán)管，汽流量偏小，可以控制溫度監(jiān)督運(yùn)行。

運(yùn)行三個(gè)月后，利用調(diào)停期間對(duì)過(guò)熱器彎頭部位的氧化皮沉積情況利用射線進(jìn)行了全面的檢查，管排共檢驗(yàn)81排566個(gè)彎頭（共566個(gè)彎頭，27排進(jìn)口外1圈因超溫直接換管），發(fā)現(xiàn)126個(gè)彎頭有堆積物，均在進(jìn)口段。堆積物5%的彎頭有35個(gè)、8%的彎頭14個(gè)、10%的彎頭39個(gè)、15%的彎頭20個(gè)、20%的彎頭15個(gè)、30%的彎頭1個(gè)、40%的彎頭1個(gè)、100%的彎頭1個(gè)，其中氧化皮最多的有26和27排，26排進(jìn)口測(cè)下部彎頭氧化皮沉積達(dá)100%（如圖1），27排進(jìn)口測(cè)下部彎頭氧化皮沉積達(dá)40%，上述出口側(cè)的氧化皮很少。對(duì)氧化皮沉積達(dá)8%的彎頭均割管清理處理，達(dá)5%及以下的彎頭對(duì)通流面積影響不大，未進(jìn)行割管處理。

2.2 檢測(cè)分析 由末過(guò)第26、27排泄漏彎頭及出口直管段上部取樣進(jìn)行金相分析、硬度檢測(cè)及氧化皮檢查。分析結(jié)果為彎頭和直段管段組織中貝氏體形態(tài)消失，碳化物聚集在鐵素體晶界位置，貝氏體為4-5級(jí)球化；泄漏位置硬度偏低，其它部位硬度正常；內(nèi)壁氧化皮最厚處達(dá)0.37mm，內(nèi)壁氧化嚴(yán)重。

3 氧化皮生成及原因分析

3.1 氧化皮的生成機(jī)理 參照熱力學(xué)中的FeC相圖，根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)分析判斷R102在570℃（臨界點(diǎn)）以下，生成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4組成，這兩種氧化物都比較致密，反過(guò)來(lái)可以保護(hù)金屬基體內(nèi)部避免更進(jìn)一步的氧化。當(dāng)溫度超過(guò)570℃時(shí)，600-620℃氧化速度加快，在Fe2O3和Fe3O4的內(nèi)層會(huì)生成FeO，F(xiàn)eO處于最內(nèi)層，F(xiàn)eO點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是鐵原子的缺位固溶體。鐵離子易由里向外擴(kuò)散，氧原子易向內(nèi)擴(kuò)散與鐵離子結(jié)合，因此加劇鐵的氧化，又由于FeO致密性差，結(jié)構(gòu)疏松，破壞了整個(gè)氧化膜的穩(wěn)定性，在熱應(yīng)力等因素的作用下，R102的抗氧化能力大大降低。

3.2 氧化皮生成的原因分析 ①1號(hào)爐累計(jì)運(yùn)行約6萬(wàn)多小時(shí)，2011年大修后曾連續(xù)長(zhǎng)周期運(yùn)行一年多，加上高負(fù)荷運(yùn)行等因素，加快了氧化皮生成，經(jīng)檢查測(cè)量主要氧化皮厚度在0.19～0.31mm之間。②管子設(shè)計(jì)選材因素，R102本身高溫性能尚可，但抗氧化性能較差，氧化皮比較容易生成和脫落，在當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)制造中并沒(méi)有過(guò)多的考慮氧化皮的問(wèn)題。③過(guò)熱器受熱面設(shè)計(jì)可能存在偏大，加上煤種摻燒變化較大，存在入爐煤煤質(zhì)特性不均，致使燃燒溫度波動(dòng)、熱負(fù)荷變化等問(wèn)題，在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部受熱面高溫，受熱面溫度場(chǎng)不均的問(wèn)題，局部超溫導(dǎo)致氧化皮更容易生成。④爐水中含氧量等因素也能導(dǎo)致氧化皮生成加快。endprint

3.3 氧化皮脫落的原因 氧化皮氧化層剝離有兩個(gè)主要條件：一是多層氧化層達(dá)到一定厚度，一般超過(guò)0.1mm，二是溫度變化頻繁、幅度大、變化率高，不同材質(zhì)在高溫下的線性膨脹系數(shù)不同，氧化鐵較小，R102較大，由于熱脹系數(shù)的差異，當(dāng)管內(nèi)壁氧化皮達(dá)到一定厚度后，在溫度發(fā)生變化，尤其是溫度發(fā)生反復(fù)或劇烈變化時(shí)（如快速冷卻），氧化皮很容易從金屬基體中剝落。

累計(jì)運(yùn)行6萬(wàn)多小時(shí)，大修后曾連續(xù)長(zhǎng)周期運(yùn)行一年多，生成的氧化皮較多，在計(jì)劃?rùn)z修中為縮短檢修工期，機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中基本上是快速冷卻、壁溫波動(dòng)較大，導(dǎo)致氧化皮從管道內(nèi)壁剝落，堆積在管道“U”形彎的下彎頭處，2012年調(diào)停后，末級(jí)過(guò)熱器局部超溫，主要是快停檢修啟動(dòng)后溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致氧化皮進(jìn)一步脫落形成，從本次收集的氧化皮看，大部分都是停爐后新脫落的氧化皮，原運(yùn)行過(guò)程中脫落的并不多。

4 預(yù)防措施

4.1 運(yùn)行中采取的措施 ①鍋爐滑停中溫降速度控制合理，因設(shè)備和檢修原因，可以通過(guò)自然通風(fēng)冷卻，應(yīng)避免停爐后強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。②啟動(dòng)中加強(qiáng)冷、熱態(tài)蒸汽系統(tǒng)的清洗，并嚴(yán)格控制冷態(tài)沖洗和熱態(tài)沖洗水質(zhì)指標(biāo)；使部分氧化皮等雜質(zhì)被沖洗掉，合理設(shè)置汽機(jī)旁路有利于鍋爐管氧化皮問(wèn)題的預(yù)防和脫落后的處置。③嚴(yán)格控制鍋爐升溫、升壓速度， 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)運(yùn)行前后溫度升降率應(yīng)控制。為防止?fàn)t膛熱負(fù)荷工況擾動(dòng)造成受熱面超溫，運(yùn)行中應(yīng)以燃燒調(diào)整（如燃燒器角度、風(fēng)量匹配等）作為汽溫主要調(diào)節(jié)手段，避免用一、二級(jí)減溫水大開(kāi)大關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)汽溫，尤其是二級(jí)減溫水的使用。④機(jī)組并網(wǎng)后，控制主、再熱汽溫在530℃，運(yùn)行不低于5h。⑤加強(qiáng)爐水給水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制給水含氧量。⑥加強(qiáng)超溫監(jiān)督管理，尤其加強(qiáng)對(duì)鍋爐管易超溫管段的監(jiān)視，防止超溫爆管，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)分析并采取相應(yīng)措施。⑦應(yīng)注意對(duì)測(cè)溫裝置的校驗(yàn)及壁溫測(cè)點(diǎn)安裝工藝控制，確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

4.2 檢修方面采取的措施 ①加強(qiáng)檢查：拍片檢查、氧化皮測(cè)厚、內(nèi)窺鏡檢查、割管檢查等。做到逢停七天以上必查，發(fā)現(xiàn)管道有變色等異常時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。②減小停運(yùn)頻率，加強(qiáng)設(shè)備的正常維護(hù)，延長(zhǎng)檢修周期。

5 結(jié)論

目前，國(guó)產(chǎn)亞臨界300MW鍋爐在國(guó)內(nèi)相繼發(fā)生氧化皮爆管的事件，鍋爐一旦發(fā)生氧化皮脫落問(wèn)題將會(huì)給后續(xù)的處理工作造成很大的難度，因此提前預(yù)防氧化皮的生成和脫落是問(wèn)題關(guān)鍵。對(duì)機(jī)組的啟停方式的控制、減溫水投入的控制、爐水含氧量、超溫控制等因素需要特別關(guān)注，并需要持續(xù)的研究和掌控。

參考文獻(xiàn)：

[1]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)，2013，35（3）：1-4.

[2]曾壁群，陳裕忠，馮庭有.1036MW機(jī)組鍋爐受熱面氧化皮的預(yù)控措施研究[J].發(fā)電設(shè)備，2012，26（4）：292-295.

[3]富君，張宏杰，張承鋼，薛賀成.亞臨界鍋爐水冷壁腐蝕泄漏原因分析及處理[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2002（03）.endprint

3.3 氧化皮脫落的原因 氧化皮氧化層剝離有兩個(gè)主要條件：一是多層氧化層達(dá)到一定厚度，一般超過(guò)0.1mm，二是溫度變化頻繁、幅度大、變化率高，不同材質(zhì)在高溫下的線性膨脹系數(shù)不同，氧化鐵較小，R102較大，由于熱脹系數(shù)的差異，當(dāng)管內(nèi)壁氧化皮達(dá)到一定厚度后，在溫度發(fā)生變化，尤其是溫度發(fā)生反復(fù)或劇烈變化時(shí)（如快速冷卻），氧化皮很容易從金屬基體中剝落。

累計(jì)運(yùn)行6萬(wàn)多小時(shí)，大修后曾連續(xù)長(zhǎng)周期運(yùn)行一年多，生成的氧化皮較多，在計(jì)劃?rùn)z修中為縮短檢修工期，機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中基本上是快速冷卻、壁溫波動(dòng)較大，導(dǎo)致氧化皮從管道內(nèi)壁剝落，堆積在管道“U”形彎的下彎頭處，2012年調(diào)停后，末級(jí)過(guò)熱器局部超溫，主要是快停檢修啟動(dòng)后溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致氧化皮進(jìn)一步脫落形成，從本次收集的氧化皮看，大部分都是停爐后新脫落的氧化皮，原運(yùn)行過(guò)程中脫落的并不多。

4 預(yù)防措施

4.1 運(yùn)行中采取的措施 ①鍋爐滑停中溫降速度控制合理，因設(shè)備和檢修原因，可以通過(guò)自然通風(fēng)冷卻，應(yīng)避免停爐后強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。②啟動(dòng)中加強(qiáng)冷、熱態(tài)蒸汽系統(tǒng)的清洗，并嚴(yán)格控制冷態(tài)沖洗和熱態(tài)沖洗水質(zhì)指標(biāo)；使部分氧化皮等雜質(zhì)被沖洗掉，合理設(shè)置汽機(jī)旁路有利于鍋爐管氧化皮問(wèn)題的預(yù)防和脫落后的處置。③嚴(yán)格控制鍋爐升溫、升壓速度， 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)運(yùn)行前后溫度升降率應(yīng)控制。為防止?fàn)t膛熱負(fù)荷工況擾動(dòng)造成受熱面超溫，運(yùn)行中應(yīng)以燃燒調(diào)整（如燃燒器角度、風(fēng)量匹配等）作為汽溫主要調(diào)節(jié)手段，避免用一、二級(jí)減溫水大開(kāi)大關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)汽溫，尤其是二級(jí)減溫水的使用。④機(jī)組并網(wǎng)后，控制主、再熱汽溫在530℃，運(yùn)行不低于5h。⑤加強(qiáng)爐水給水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制給水含氧量。⑥加強(qiáng)超溫監(jiān)督管理，尤其加強(qiáng)對(duì)鍋爐管易超溫管段的監(jiān)視，防止超溫爆管，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)分析并采取相應(yīng)措施。⑦應(yīng)注意對(duì)測(cè)溫裝置的校驗(yàn)及壁溫測(cè)點(diǎn)安裝工藝控制，確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

4.2 檢修方面采取的措施 ①加強(qiáng)檢查：拍片檢查、氧化皮測(cè)厚、內(nèi)窺鏡檢查、割管檢查等。做到逢停七天以上必查，發(fā)現(xiàn)管道有變色等異常時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。②減小停運(yùn)頻率，加強(qiáng)設(shè)備的正常維護(hù)，延長(zhǎng)檢修周期。

5 結(jié)論

目前，國(guó)產(chǎn)亞臨界300MW鍋爐在國(guó)內(nèi)相繼發(fā)生氧化皮爆管的事件，鍋爐一旦發(fā)生氧化皮脫落問(wèn)題將會(huì)給后續(xù)的處理工作造成很大的難度，因此提前預(yù)防氧化皮的生成和脫落是問(wèn)題關(guān)鍵。對(duì)機(jī)組的啟停方式的控制、減溫水投入的控制、爐水含氧量、超溫控制等因素需要特別關(guān)注，并需要持續(xù)的研究和掌控。

參考文獻(xiàn)：

[1]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)，2013，35（3）：1-4.

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[3]富君，張宏杰，張承鋼，薛賀成.亞臨界鍋爐水冷壁腐蝕泄漏原因分析及處理[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2002（03）.endprint

3.3 氧化皮脫落的原因 氧化皮氧化層剝離有兩個(gè)主要條件：一是多層氧化層達(dá)到一定厚度，一般超過(guò)0.1mm，二是溫度變化頻繁、幅度大、變化率高，不同材質(zhì)在高溫下的線性膨脹系數(shù)不同，氧化鐵較小，R102較大，由于熱脹系數(shù)的差異，當(dāng)管內(nèi)壁氧化皮達(dá)到一定厚度后，在溫度發(fā)生變化，尤其是溫度發(fā)生反復(fù)或劇烈變化時(shí)（如快速冷卻），氧化皮很容易從金屬基體中剝落。

累計(jì)運(yùn)行6萬(wàn)多小時(shí)，大修后曾連續(xù)長(zhǎng)周期運(yùn)行一年多，生成的氧化皮較多，在計(jì)劃?rùn)z修中為縮短檢修工期，機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中基本上是快速冷卻、壁溫波動(dòng)較大，導(dǎo)致氧化皮從管道內(nèi)壁剝落，堆積在管道“U”形彎的下彎頭處，2012年調(diào)停后，末級(jí)過(guò)熱器局部超溫，主要是快停檢修啟動(dòng)后溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致氧化皮進(jìn)一步脫落形成，從本次收集的氧化皮看，大部分都是停爐后新脫落的氧化皮，原運(yùn)行過(guò)程中脫落的并不多。

4 預(yù)防措施

4.1 運(yùn)行中采取的措施 ①鍋爐滑停中溫降速度控制合理，因設(shè)備和檢修原因，可以通過(guò)自然通風(fēng)冷卻，應(yīng)避免停爐后強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。②啟動(dòng)中加強(qiáng)冷、熱態(tài)蒸汽系統(tǒng)的清洗，并嚴(yán)格控制冷態(tài)沖洗和熱態(tài)沖洗水質(zhì)指標(biāo)；使部分氧化皮等雜質(zhì)被沖洗掉，合理設(shè)置汽機(jī)旁路有利于鍋爐管氧化皮問(wèn)題的預(yù)防和脫落后的處置。③嚴(yán)格控制鍋爐升溫、升壓速度， 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)運(yùn)行前后溫度升降率應(yīng)控制。為防止?fàn)t膛熱負(fù)荷工況擾動(dòng)造成受熱面超溫，運(yùn)行中應(yīng)以燃燒調(diào)整（如燃燒器角度、風(fēng)量匹配等）作為汽溫主要調(diào)節(jié)手段，避免用一、二級(jí)減溫水大開(kāi)大關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)汽溫，尤其是二級(jí)減溫水的使用。④機(jī)組并網(wǎng)后，控制主、再熱汽溫在530℃，運(yùn)行不低于5h。⑤加強(qiáng)爐水給水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制給水含氧量。⑥加強(qiáng)超溫監(jiān)督管理，尤其加強(qiáng)對(duì)鍋爐管易超溫管段的監(jiān)視，防止超溫爆管，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)分析并采取相應(yīng)措施。⑦應(yīng)注意對(duì)測(cè)溫裝置的校驗(yàn)及壁溫測(cè)點(diǎn)安裝工藝控制，確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

4.2 檢修方面采取的措施 ①加強(qiáng)檢查：拍片檢查、氧化皮測(cè)厚、內(nèi)窺鏡檢查、割管檢查等。做到逢停七天以上必查，發(fā)現(xiàn)管道有變色等異常時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。②減小停運(yùn)頻率，加強(qiáng)設(shè)備的正常維護(hù)，延長(zhǎng)檢修周期。

5 結(jié)論

目前，國(guó)產(chǎn)亞臨界300MW鍋爐在國(guó)內(nèi)相繼發(fā)生氧化皮爆管的事件，鍋爐一旦發(fā)生氧化皮脫落問(wèn)題將會(huì)給后續(xù)的處理工作造成很大的難度，因此提前預(yù)防氧化皮的生成和脫落是問(wèn)題關(guān)鍵。對(duì)機(jī)組的啟停方式的控制、減溫水投入的控制、爐水含氧量、超溫控制等因素需要特別關(guān)注，并需要持續(xù)的研究和掌控。

參考文獻(xiàn)：

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[3]富君，張宏杰，張承鋼，薛賀成.亞臨界鍋爐水冷壁腐蝕泄漏原因分析及處理[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2002（03）.endprint