600 MW超臨界鍋爐過熱器氧化皮防治方案

吳學(xué)慶， 羅舜旭

(1. 佛山電建集團(tuán)有限公司， 廣東佛山 528000； 2. 佛山恒益發(fā)電有限公司， 廣東三水 528131)

國產(chǎn)第一代引進(jìn)型600 MW超臨界燃煤鍋爐的高溫過熱器普遍存在材料抗蒸汽氧化性能偏低現(xiàn)象。近年來，隨著這一批機(jī)組的服役時(shí)間超過50 000 h，高溫過熱器氧化皮問題不斷暴露，過熱器氧化皮剝落、堵塞、爆管逐漸成為這一批鍋爐泄漏的主要原因[1]。筆者對(duì)某電廠鍋爐高溫過熱器氧化皮形成的原因進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對(duì)化學(xué)清洗、管材升級(jí)等氧化皮防治方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性比較，在如何保證施工質(zhì)量方面提出了一些建議。

1 產(chǎn)生原因

1.1 鍋爐高溫過熱器結(jié)構(gòu)

某電廠同期建設(shè)的2臺(tái)鍋爐為SG-1913/25.4-M983超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π形布置鍋爐。高溫過熱器共有82屏，每屏有12圈管子。管屏采用多種材料組合(見圖1)，入口段(冷段)管子的材料為SA213-T23和SA213-T91，出口段(熱段)管子的材料為SA213-T91和SA213-TP347H，其中SA213-TP347H材料布置在出口段的最外第1、2、3、4、6根管子的垂直段部分。

圖1 高溫過熱器結(jié)構(gòu)圖

1.2 氧化皮產(chǎn)生及剝落的原因

超臨界直流鍋爐額定蒸汽的溫度為571 ℃、壓力為25.4 MPa，這一溫度、壓力條件下，蒸汽對(duì)金屬受熱面的氧化能力比空氣高達(dá)十幾倍，容易在金屬內(nèi)壁生成氧化皮[2]。根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果，低合金鋼如T23等，在正常服役溫度條件下(低于570 ℃)，蒸汽側(cè)的氧化皮為多層結(jié)構(gòu)，一般由外向內(nèi)依次為Fe2O3層、Fe3O4層和鐵鉻尖晶石氧化物(FeCr2O4)層。由于基體本身鉻元素含量較低，F(xiàn)eCr2O4層中鉻元素富集的程度有限，故從氧化皮結(jié)構(gòu)上來看，分層并不明顯。當(dāng)換熱管在超溫(570 ℃以上)情況下長(zhǎng)期服役，氧化皮中靠近基體部位將形成FeO，這種物質(zhì)的致密性較差，會(huì)破壞氧化皮的穩(wěn)定性，導(dǎo)致氧化皮易于脫落。T91比T23具有更好的耐高溫性能與抗氧化能力。在使用溫度范圍內(nèi)，T91氧化皮也呈現(xiàn)成分層情況，一般由外向內(nèi)依次為Fe2O3層、Fe3O4層和FeCr2O4層。T91材料鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到9%左右，F(xiàn)eCr2O4層中鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在15%～18%。氧化皮生長(zhǎng)到一定厚度后，不僅出現(xiàn)成分分層，結(jié)構(gòu)上也出現(xiàn)分層情況，F(xiàn)e3O4層與FeCr2O4層界面處存在大量空洞等缺陷，F(xiàn)e2O3與Fe3O4層間無明顯缺陷。TP347H的氧化皮分層情況與T91類似，但由于基體的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，F(xiàn)eCr2O4層中的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)通?？筛患?5%以上。蒸汽側(cè)氧化皮與基體金屬間、氧化皮各層氧化物間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在管壁溫度發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致氧化皮產(chǎn)生的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力幅值與溫變速率、氧化皮厚度、氧化皮結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系，當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到一定條件后，將導(dǎo)致氧化皮發(fā)生剝落[2]。一般情況下，對(duì)于T23等低合金鋼，氧化皮從基體界面處剝離；對(duì)于T91和TP347H等材料，氧化皮一般從Fe3O4層與FeCr2O4層界面剝離[3]。

氧化皮脫落厚度與合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，管材合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，氧化皮發(fā)生脫落的厚度越小[4]。不同管材材料氧化皮脫離臨界厚度統(tǒng)計(jì)見表1。對(duì)于超臨界鍋爐，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到10 000～15 000 h后，TP347H管子即發(fā)生氧化皮集中剝落現(xiàn)象。隨著累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)的加長(zhǎng)，位于較低溫度區(qū)域的T91和T23管子氧化皮也逐漸增厚，運(yùn)行40 000 h后，T91管子氧化皮厚度也達(dá)到0.18～0.26 mm。

表1 常用材料氧化皮剝離厚度

2 防治方法

對(duì)于超臨界鍋爐氧化皮防治工作，在嚴(yán)格控制鍋爐啟停溫度升降等措施的基礎(chǔ)上，主要有以下幾種方法。

2.1 逢停必檢及割管清理法

早期各電廠對(duì)超臨界鍋爐通常采用逢停必檢，在停爐后利用射線檢測(cè)高溫過熱器管內(nèi)氧化皮堆積情況，通常以氧化皮堆積高度超過30%管子內(nèi)徑作為割管清理標(biāo)準(zhǔn)。氧化皮剝落主要是氧化皮與金屬基體之間的熱膨脹系數(shù)不同引起，啟動(dòng)過程中殘留氧化皮仍然會(huì)大面積脫落，存在爆管風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 管材升級(jí)法

管材升級(jí)是將換熱管的材料由較低性能等級(jí)更換為更高等級(jí)，以滿足高溫環(huán)境的使用要求。有部分電廠將高溫過熱器T23、T91管子升級(jí)為管內(nèi)噴丸處理的TP347HFG管子，升級(jí)后的高溫過熱器運(yùn)行效果良好[4]；但仍有一些電廠存在換管效果不理想的情況，某電廠將高溫過熱器入口段材料由T91升級(jí)為TP347HFG，運(yùn)行時(shí)間約達(dá)到3年，更換的TP347HFG材料再次出現(xiàn)氧化皮問題。

2.3 化學(xué)清洗法

采用適宜的清洗介質(zhì)對(duì)過熱器和再熱器管進(jìn)行化學(xué)清洗，可一次性清除管內(nèi)堆積和未脫落的氧化皮。該方法可將氧化皮清洗干凈，在一定時(shí)間內(nèi)避免過熱器氧化皮爆管的發(fā)生[5]。

3 方案比較

3.1 全管材升級(jí)

全管材升級(jí)是將高溫過熱器管材升級(jí)到更高性能的Super304H-SB或TP347HFG-SB，同時(shí)將T23管子升級(jí)為T91管子。目前，Super304H-SB新管的價(jià)格約為10萬元/t，TP347HFG-SB新管的價(jià)格約為8萬元/t，而SG-1913/25.4-M983型鍋爐高溫過熱器冷段管的總質(zhì)量約為96 t，熱段管的總質(zhì)量約為133 t。一次性將上述高溫過熱器出口段管材升級(jí)為TP347HFG-SB，進(jìn)口段管材升級(jí)為T91，單臺(tái)鍋爐總的改造費(fèi)用在2 000萬元以上。

該鍋爐高溫過熱器T23管的正常運(yùn)行壁溫為514～543 ℃，T91管的正常運(yùn)行壁溫為573～587 ℃，TP347H管的正常運(yùn)行壁溫為606～617 ℃?？紤]到管材實(shí)際可使用的抗氧化溫度，T23管材的計(jì)算管壁溫度應(yīng)控制在570 ℃以內(nèi)，T91管材的計(jì)算管壁溫度應(yīng)控制在600 ℃以內(nèi)。由此可見，T23和T91均符合鍋爐廠對(duì)高溫過熱器用材的設(shè)計(jì)原則，但是TP347H管抗蒸汽氧化溫度低于設(shè)計(jì)溫度，需進(jìn)一步升級(jí)。采用全管升級(jí)方案，在入口段管材性能遠(yuǎn)高于鍋爐廠推薦的選材原則，出口段管材也滿足了抗氧化溫度要求，升級(jí)后管子的性能得到較大的提高，其處理費(fèi)用也最高；但對(duì)于累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不到50 000 h的機(jī)組，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未到設(shè)計(jì)使用年限，如全部進(jìn)行升級(jí)，會(huì)造成比較大的浪費(fèi)。該方案實(shí)施工期也較長(zhǎng)，需要50天左右。

3.2 化學(xué)清洗

化學(xué)清洗過熱器的范圍包括分隔屏過熱器、后屏過熱器、高溫過熱器、集箱以及連接管道。單臺(tái)鍋爐清洗費(fèi)用在500萬元以內(nèi)。

化學(xué)清洗是采用專用清洗劑和緩蝕劑，可以有效清除過熱器管內(nèi)表面的氧化皮，并保證除垢率和腐蝕速度達(dá)到DL/T 794—2012 《火力發(fā)電廠鍋爐化學(xué)清洗導(dǎo)則》規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)?；瘜W(xué)清洗對(duì)TP347H管的性能沒有改變，對(duì)于蒸汽出口設(shè)計(jì)溫度為570 ℃左右的鍋爐，TP347H不銹鋼出現(xiàn)氧化皮問題的時(shí)間大約在投運(yùn)后10 000 h[6]。該電廠投運(yùn)14 000 h后首次發(fā)生TP347H爆管，因此如不將TP347H管子更換升級(jí)，預(yù)計(jì)在清洗后機(jī)組運(yùn)行15 000 h，氧化皮脫落會(huì)再次出現(xiàn)。

3.3 化學(xué)清洗與部分管材升級(jí)相結(jié)合

該方案首先進(jìn)行過熱器化學(xué)清洗，去除換熱管內(nèi)壁的氧化皮，之后再對(duì)特征材料進(jìn)行材料升級(jí)，以提高機(jī)組再次發(fā)生氧化皮問題的周期。高溫過熱器化學(xué)清洗的范圍包括分隔屏過熱器、后屏過熱器、高溫過熱器。細(xì)晶18-8型奧氏體不銹鋼的抗蒸汽氧化性能要比粗晶18-8型奧氏體不銹鋼好得多[6]。因此，將高溫過熱器出口段前6圈的管子更換為TP347HFG-SB，每臺(tái)鍋爐更換管的總質(zhì)量約為45 t，更換的位置見圖2。該方案換管工作量不到全管材升級(jí)方案的四分之一，參照運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，化學(xué)清洗后的過熱器5年內(nèi)不會(huì)發(fā)生氧化皮脫落堵管問題。

圖2 更換管排示意圖

此方案處理過程比較復(fù)雜，工程量較大，實(shí)施工期較長(zhǎng)，改造時(shí)間需60天以上。每臺(tái)鍋爐材料費(fèi)約為360萬元，清洗費(fèi)用約500萬元，總費(fèi)用約為1 200萬元。

通過對(duì)過熱器氧化皮治理方案的對(duì)比，對(duì)于運(yùn)行時(shí)間50 000 h左右的機(jī)組，綜合考慮管子耐高溫和抗蒸汽氧化等因素，第三種方案相對(duì)經(jīng)濟(jì)、合理。

4 施工建議

4.1 換管工作

根據(jù)異種鋼材的焊接工藝要求，提前在制造廠加工并焊好異種鋼短接頭，盡量減少現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行異種鋼接頭焊接。新管入廠后，采用宏觀檢查、通球試驗(yàn)、理化檢驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)收，發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品及時(shí)更換處理。

4.2 化學(xué)清洗

(1) 為保證化學(xué)清洗質(zhì)量，應(yīng)選擇具有防止發(fā)生堵管、氣塞、晶間腐蝕的技術(shù)能力和相應(yīng)的技術(shù)手段，并具有腐蝕在線監(jiān)測(cè)裝置的清洗單位。

(2) 化學(xué)清洗前要取樣進(jìn)行管樣垢量及成分分析，并進(jìn)行小型試驗(yàn)確定化學(xué)清洗濃度和化學(xué)清洗工藝。

(3) 化學(xué)清洗前安排對(duì)高溫過熱器出口段下彎頭進(jìn)行射線檢測(cè)，將氧化皮積聚高度超過50%管子內(nèi)徑以上的，進(jìn)行割管清理，防止清洗過程堵塞。

(4) 高溫過熱器為并列式W形管設(shè)計(jì)，因此如果清洗流速不能達(dá)到要求，會(huì)在部分管路中形成氣塞，致使清洗過程中清洗液不能完全接觸到需要清洗的過熱器管表面，影響清洗效果；或者在清洗結(jié)束后的水沖洗不徹底，造成清洗液殘留在過熱器管中，從而引起運(yùn)行后爆管等不良后果。另外，流速過低會(huì)使已經(jīng)剝離下的氧化皮及清洗殘?jiān)荒鼙挥行_走而沉積于過熱器管的下部彎頭處而造成堵管。

要消除并列式 W形管中形成的氣塞，必須保證已經(jīng)流通的W形管中流體流動(dòng)產(chǎn)生的阻力大于未流通W形管中形成氣塞的流體靜壓力(即W形管從最低點(diǎn)到最高點(diǎn)的壓差)。根據(jù)計(jì)算及清洗經(jīng)驗(yàn)可知，過熱器管內(nèi)流速應(yīng)為1.0 m/s以上。各級(jí)過熱器部件計(jì)算流通面積為各管屏截面積之和，按照0.5 m/s、0.7 m/s、1.0 m/s三種流速分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的清洗流量，過熱器清洗流速計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2中看出：清洗體積流量達(dá)到1 880 m3/h可滿足清洗流速要求，過熱器清洗過程中清洗泵應(yīng)保證體積流量在2 000 m3/h以上，且必須設(shè)有備用泵。

表2 過熱器清洗參數(shù)

5 結(jié)語

筆者對(duì)某電廠SG-1913/25.4-M983超臨界參數(shù)變壓直流爐氧化皮產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并結(jié)合機(jī)組自身特點(diǎn)，對(duì)目前廣泛使用的氧化皮治理方法的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了綜合比較，得出以下結(jié)論：

(1) 新建超臨界機(jī)組，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)充分考慮材料的抗氧化能力，避免使用抗氧化能力較差的TP347H、TP347HFG等材料，建議選用噴丸處理的TP347HFG、Super304H等材料。

(2) 對(duì)于服役時(shí)間累計(jì)運(yùn)行時(shí)間50 000 h左右的該型號(hào)鍋爐，根據(jù)材料情況，采用化學(xué)清洗加局部管材升級(jí)是最優(yōu)方案。