電站鍋爐氧化皮的防治研究

嚴(yán)曉哲，楊平

(1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528251；2.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 佛山檢測院，廣東 佛山 528251)

0 引言

隨著電站機(jī)組技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)超臨界、超超臨界機(jī)組日益增多。高溫受熱面管氧化皮問題也隨著管內(nèi)蒸汽壓力與溫度的提高而不斷加劇。

氧化皮問題對電站機(jī)組主要有以下危害：(1)在機(jī)組啟停過程中，受熱面管內(nèi)的氧化皮會(huì)剝落，導(dǎo)致蒸汽流通面積減小，管子局部過熱、變形甚至爆管(通常發(fā)生在高溫過熱器U型管屏底部彎頭附近)；(2)剝落的氧化皮碎屑會(huì)被蒸汽帶入汽輪機(jī)，損傷噴嘴、葉柵等汽輪機(jī)通流部分；(3)剝落的氧化皮可能會(huì)造成蒸汽閥門卡澀，影響閥門的正常關(guān)閉。這些問題都會(huì)給電站機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成重大影響。

某發(fā)電公司#2鍋爐采用上海鍋爐廠的1 913 t/h超臨界壓力П型直流鍋爐。其額定工況下主蒸汽壓力25.4 MPa，溫度571 ℃；再熱蒸汽熱段壓力4.17 MPa，溫度569 ℃。其末級過熱器管屏底部在檢修結(jié)束啟爐運(yùn)行后不久即發(fā)生了一次爆管事故。此次事故是2013年～2017年累計(jì)發(fā)生的第4次爆管事故，且吹損、吹傷多根臨近的過熱器管，給電廠帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對受熱面管氧化皮的生成機(jī)理、防護(hù)與治理技術(shù)的研究非常重要。

1 氧化皮生成及剝落機(jī)理

朱朝陽等[1～4]研究了鍋爐高溫受熱面管蒸汽氧化皮的生長與剝落特性；徐洪[5]在“環(huán)境破壞說”的基礎(chǔ)上闡釋了鍋爐高溫受熱面氧化皮剝落的理論；張志遠(yuǎn)等[6]從基建、調(diào)試及生產(chǎn)方面提出了對氧化皮的防治措施。

通過上述研究和理論表明，鍋爐受熱面管內(nèi)氧化皮的生成，是金屬管子與高溫蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，其反應(yīng)式如下。

3Fe=Fe2++2Fe3++8e-

(1)

4H2O=4OH-+4H+

(2)

Fe2++2Fe3++4OH-=Fe3O4+4H++8e-

(3)

4H++4H++8e=4H2

(4)

3Fe+4H2O= Fe3O4+4H2

(5)

通常，當(dāng)蒸汽溫度超過400 ℃時(shí)，金屬管的氧化反應(yīng)速率會(huì)因高壓、高溫蒸汽環(huán)境而加速；在570 ℃以下，管子形成的氧化皮主要是由Fe2O3和Fe3O4組成的較致密的氧化膜，可以避免金屬被進(jìn)一步氧化；當(dāng)溫度超過570 ℃時(shí)，氧化膜主要由FeO、Fe2O3和Fe3O4組成，F(xiàn)eO處于最內(nèi)層且致密性差，會(huì)破壞氧化膜的穩(wěn)定性，使金屬與蒸汽持續(xù)發(fā)生反應(yīng)[5]。

由于氧化皮各層氧化物與管子基體金屬熱膨脹系數(shù)的差異，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致氧化皮開裂和剝落。受熱面管長期在接近或超過材料使用溫度限值的環(huán)境中使用，會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)壁氧化皮快速形成。在機(jī)組啟停運(yùn)過程中，受熱面管壁溫度大幅變化，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)促使氧化皮發(fā)生剝落。

溫度變化引起的應(yīng)變一旦超過管子允許應(yīng)變，氧化皮就會(huì)剝落[7]。氧化皮受應(yīng)力作用發(fā)生剝落時(shí)對應(yīng)的臨界溫度降幅如下式。

(6)

式中：ΔTc為降臨界溫度降幅，℃；γF為界面間斷裂能，kJ，取決于管材和氧化皮的機(jī)械性能；ξ為氧化皮厚度， mm；EOX為彈性模量，GPa；αm、αOX分別為金屬基體、氧化皮的線膨脹系數(shù)，1/℃；υ為泊松比。

金屬氧化皮的剝落受多種因素影響,除其物性參數(shù)外，與受熱面管運(yùn)行中氧化皮的厚度和溫度變化幅度密切相關(guān)。

2 氧化皮預(yù)防

2.1 運(yùn)行控制

(1)避免機(jī)組的局部或整體超溫運(yùn)行,是防止鍋爐高溫受熱面管氧化皮快速形成的主要措施。主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度都應(yīng)控制在管材允許使用溫度范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)生超溫情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行燃燒調(diào)整，降低主、再熱蒸汽運(yùn)行溫度。當(dāng)受熱面管壁持續(xù)超溫時(shí)，則應(yīng)采取相應(yīng)緊急措施，并記錄備案。

(2)減少爐膛出口煙溫偏差，防止過熱器出口蒸汽溫度差過大。加強(qiáng)高溫段過熱器、再熱器等管壁溫度監(jiān)控，對超溫情況進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，判斷是否需要縮短檢驗(yàn)周期。

(3)啟、停爐時(shí)嚴(yán)格控制溫度變化幅度，按照啟、停機(jī)曲線操作。對于因氧化皮問題引起頻繁爆管的機(jī)組，應(yīng)適當(dāng)降低鍋爐啟、停溫度控制速率，減緩氧化皮的剝落。

(4)調(diào)整蒸汽參數(shù)時(shí)，先做燃燒調(diào)整，盡量控制減溫水的投用。

(5)加強(qiáng)對水處理設(shè)備的監(jiān)控與管理。依據(jù)GB/T 12145—2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》嚴(yán)格控制汽水質(zhì)量。

2.2 定期檢驗(yàn)

(1)加強(qiáng)停爐后對鍋爐部件的檢查，定期清理過熱器和再熱器集箱的泥垢、異物等。建議根據(jù)電廠實(shí)際運(yùn)行情況，對高溫過熱器(以下簡稱高過)出口集箱和高溫再熱器(以下簡稱高再)出口集箱進(jìn)行定期金相組織分析。

(2)加強(qiáng)對爐內(nèi)高過和高再管的檢查，定點(diǎn)監(jiān)測高溫段過熱器和再熱器的高溫出口段管子的氧化皮厚度、脹粗量及金相組織情況，必要時(shí)割管分析。

(3)可采用射線或磁性檢測技術(shù)，對過熱器和再熱器管屏底部彎頭部位采取重點(diǎn)檢查，必要時(shí)進(jìn)行割管與化驗(yàn)分析。

2.3 氧化皮檢測

目前常用的氧化皮檢測方法有射線檢測、磁性檢測、高頻超聲檢測、聲振檢測等方法，其中磁性檢測技術(shù)與高頻超聲檢測方法應(yīng)用較普遍。

(1)射線檢測方法，依據(jù)X射線或γ射線在穿透被檢物各部分時(shí)強(qiáng)度衰減不同的原理進(jìn)行檢測。底片顯示直觀、易于觀察、記錄性好；但成本高、操作不便、對氧化皮厚度測量分辨率低。

(2)高頻超聲檢測方法，依據(jù)鋼管和氧化皮界面兩側(cè)物質(zhì)密度和聲阻抗不同的原理進(jìn)行檢測。操作方便、效率高，精度可達(dá)到0.01 mm，可對管內(nèi)壁氧化皮厚度進(jìn)行測量；但由于聲波在粗晶材料中衰減較大，在晶界處易發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，不適用于粗晶管材的氧化皮檢測。采用T91管材的鍋爐常使用該方法進(jìn)行氧化皮檢測。

(3)聲振檢測方法，根據(jù)聲振動(dòng)信號的特征參數(shù)——衰減系數(shù)的變化來判別管內(nèi)氧化皮堆積程度。該方法不受鋼材材質(zhì)和磁性因素影響，可用來測量彎管內(nèi)氧化皮堆積程度；但操作過程容易受噪聲干擾，測量裝置有待進(jìn)一步研究[8]。

(4)磁性檢測方法，依據(jù)奧氏體鋼與其內(nèi)壁氧化皮的磁性不同的原理進(jìn)行檢測。該方法可對管內(nèi)堆積氧化皮情況進(jìn)行檢測，操作靈活、方便、效率高；但僅適用于奧氏體不銹鋼管的檢測，對鐵素體鋼管無法檢測，也無法對未脫落的氧化皮進(jìn)行厚度測量。

使用單位應(yīng)根據(jù)鍋爐高過和高再的管材情況和使用情況制定合理的檢驗(yàn)方案。對于常發(fā)生爆管的部位，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件選擇合適的單項(xiàng)檢驗(yàn)或組合檢驗(yàn)方法，必要時(shí)擴(kuò)大檢驗(yàn)范圍。氧化皮的檢測新技術(shù)、新裝置有待進(jìn)一步研究。

2.4 評估與預(yù)測

孫璽等[9]開發(fā)了基于B/S結(jié)構(gòu)的火電廠鍋爐管氧化皮脫落風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，可用于鍋爐管內(nèi)壁氧化皮脫落傾向較大的機(jī)組。黃鑫等[10]對有氧化皮堆積的過熱器管進(jìn)行壽命預(yù)測，依據(jù)Robinson法則確立管材失效準(zhǔn)則，將管內(nèi)氧化皮堵塞程度分類，并提出相應(yīng)處理辦法。使用單位應(yīng)根據(jù)鍋爐運(yùn)行情況及定期檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，對鍋爐過熱器、再熱器管子進(jìn)行安全評估及預(yù)測，對于減少鍋爐事故及非計(jì)劃正常停機(jī)具有重要意義。

3 氧化皮治理

3.1 化學(xué)清洗

鍋爐的過熱器與再熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材質(zhì)種類多(包括T22、T23、12Cr1MoVR、T91、TP347、Super304等)。由于這些材料在高溫過熱蒸汽中生成的氧化物形態(tài)各不相同，化學(xué)清洗存在諸多難點(diǎn)。鍋爐的化學(xué)清洗試劑應(yīng)具備對氧化皮的剝離量小、溶解效果好、對材料的腐蝕速度低、對奧氏體不銹鋼材質(zhì)無晶間腐蝕等特點(diǎn)。鄧宇強(qiáng)[11]等自制的復(fù)合有機(jī)酸清洗劑，對T22、12Cr1MoVR、T91和TP347 四種過熱器管子的氧化皮有良好的清洗效果。

3.2 換管

對氧化皮問題嚴(yán)重的機(jī)組，建議根據(jù)DL/T 715—2015《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》，選擇抗高溫氧化性能和抗高溫腐蝕性能良好的管材：超臨界機(jī)組的高過與高再溫度較高區(qū)段可選擇 TP347HFG 或經(jīng)內(nèi)壁噴丸處理的18-8奧氏體耐熱鋼；溫度較低段可選擇TP304H、TP347 HFG、TP316H、T91等材料；超超臨界機(jī)組的高溫過熱器、再熱器管可選擇TP310HcbN、HR3C或內(nèi)壁噴丸處理的S30432、Super304H等材料。換管過程中，應(yīng)注意控制焊接及熱處理工藝，并對焊口進(jìn)行射線檢測及表面無損檢測，確保焊接質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)金屬管與高溫蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氧化皮，嚴(yán)重危害鍋爐設(shè)備的安全生產(chǎn)，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控，避免機(jī)組超溫、超壓運(yùn)行。

(2)應(yīng)對高溫過熱器管、再熱器管定期檢驗(yàn)，重點(diǎn)位置定點(diǎn)監(jiān)測脹粗情況、氧化皮厚度及堆積情況，并依據(jù)檢測情況對管子進(jìn)行安全評估、預(yù)測，必要時(shí)割管分析。

(3)當(dāng)受熱面管內(nèi)氧化皮達(dá)到一定厚度時(shí)，應(yīng)選擇合適的清洗介質(zhì)進(jìn)行酸洗。

(4)氧化皮的檢測新技術(shù)、新裝置有待進(jìn)一步研究。

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