超超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮脫落與治理

楊豐收

（安徽淮南平圩發(fā)電有限公司，安徽 淮南232000）

1 引言

現(xiàn)階段，隨著超臨界鍋爐和超超臨界鍋爐的大面積投入使用，其故障和安全問(wèn)題也受到越來(lái)越多人的重視。超超臨界鍋爐高溫受熱面的氧化皮問(wèn)題對(duì)鍋爐本身的危害非常大，不僅會(huì)引發(fā)鍋爐爆管，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致鍋爐的傳熱能力下降，汽輪機(jī)出現(xiàn)固體顆粒侵蝕的現(xiàn)象，如果長(zhǎng)期無(wú)法解決的話則會(huì)造成汽門卡澀、葉片損壞等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐無(wú)法正常使用。因此，電廠相關(guān)技術(shù)維修人員要深入剖析氧化皮產(chǎn)生的具體原因以及脫落特性，從整體和細(xì)節(jié)角度同時(shí)出發(fā)，切實(shí)解決鍋爐氧化皮的相關(guān)問(wèn)題，使超超臨界鍋爐始終處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)中。

2 超超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮脫落的危害

超超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮發(fā)生脫落之后，后屏過(guò)熱器會(huì)發(fā)生堵塞的現(xiàn)象，同時(shí)導(dǎo)致在末級(jí)過(guò)熱器和高溫再熱器U 型管的彎頭位置的蒸汽流通不暢[1]，從而引發(fā)超溫爆管的現(xiàn)象。鍋爐機(jī)組在啟動(dòng)的過(guò)程中，后屏過(guò)熱器和末級(jí)過(guò)熱器當(dāng)中脫落的氧化皮對(duì)高旁門的密封性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。脫落的氧化皮還會(huì)堵塞主蒸汽和再熱蒸汽管道疏水管路，使疏水閥門的調(diào)節(jié)能力下降，閥門會(huì)因此而出現(xiàn)內(nèi)漏的現(xiàn)象，閥門后管道和彎頭也會(huì)因此而受損，最終引發(fā)爆管現(xiàn)象，對(duì)鍋爐機(jī)組和人身安全造成嚴(yán)重的破壞。

此外，脫落的氧化皮碎片與蒸汽進(jìn)行混合，會(huì)導(dǎo)致高壓主氣閥的密封面、閥桿以及閥套位置發(fā)生嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，長(zhǎng)此以往會(huì)引發(fā)主汽門的卡澀。這些氧化皮碎片還會(huì)對(duì)汽機(jī)噴嘴和葉片造成破壞，對(duì)末級(jí)葉片的損害尤為嚴(yán)重，對(duì)水汽品質(zhì)也會(huì)造成一定的影響。通過(guò)上述影響分析可以看出，氧化皮脫落對(duì)于超超臨界鍋爐機(jī)組的危害是非常巨大的，其中最為嚴(yán)重的問(wèn)題就是超溫爆管現(xiàn)象，相關(guān)技術(shù)人員在綜合治理過(guò)程中要密切關(guān)注這一點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)化的維修體系，避免超溫爆管的現(xiàn)象發(fā)生。

3 超超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮脫落的原因分析

3.1 氧化皮的形成及影響因素

超超臨界鍋爐高溫受熱面當(dāng)中的氧化膜主要是熱面管材當(dāng)中的Fe 和蒸汽在高溫和高壓反應(yīng)下所生成的一種物質(zhì)。從性質(zhì)上來(lái)看屬于由Fe3O4、Fe2O3、FeO 混合形成的一種鐵基類氧化物。在氧化進(jìn)程的逐步發(fā)展下，氧化層從先前的原基體界面向外進(jìn)行拓展，從而形成質(zhì)地非常緊密的Fe3O4，在氧化過(guò)程的末段會(huì)在最外層形成一種質(zhì)地較薄的Fe2O3[2]，這種內(nèi)外分層式的氧化皮是超超臨界鍋爐高溫受熱面氧化反應(yīng)所生成的主要物質(zhì)。氧化皮當(dāng)中的Fe3O4和Fe2O3性質(zhì)較為穩(wěn)定，一般情況下不會(huì)發(fā)生脫落現(xiàn)象，但是氧化皮當(dāng)中的FeO 存在一定的不穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)較為疏松，晶格在高溫作用下非常容易產(chǎn)生缺陷，從而發(fā)生脫落現(xiàn)象，對(duì)氧化層的整體穩(wěn)定性造成影響。據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)鍋爐受熱面的溫度在570℃左右時(shí)，內(nèi)層氧化膜的成分主要是Fe3O4和Fe2O3，一旦溫度超過(guò)580℃，氧化膜當(dāng)中就會(huì)產(chǎn)生大量的FeO，從而造成氧化皮的脫落。

3.2 氧化皮的脫落及影響因素

通過(guò)上述對(duì)氧化皮形成機(jī)理的分析可以得知，溫度是導(dǎo)致氧化皮發(fā)生脫落現(xiàn)象的關(guān)鍵性因素。為進(jìn)一步證實(shí)這一點(diǎn)，在實(shí)際工作中對(duì)超超臨界鍋爐機(jī)組當(dāng)中的對(duì)屏式過(guò)熱器和高溫過(guò)熱器進(jìn)行細(xì)致的觀察，觀察發(fā)現(xiàn)，底部彎頭的位置的氧化皮堆積現(xiàn)象不是非常嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)測(cè)量管內(nèi)的蒸汽溫度始終保持在550℃之下，而高溫再熱器的一些管屏當(dāng)中氧化皮脫落的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)測(cè)量溫度始終在600℃之上，這樣就進(jìn)一步證實(shí)了溫度對(duì)氧化皮脫落的決定性作用[3,4]。

為了對(duì)氧化皮脫落的原因進(jìn)行深度剖析，對(duì)屏式和高溫過(guò)熱器管道、高溫再熱器管道進(jìn)行了壓力對(duì)比測(cè)試，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，屏式及高溫過(guò)熱器的管道壓力數(shù)值為24MPa，高溫再熱器的管道壓力為4MPa，高溫再熱器當(dāng)中脫落的氧化皮數(shù)量更多。因此，壓力過(guò)低同樣會(huì)導(dǎo)致再熱器管道當(dāng)中出現(xiàn)氧化皮脫落現(xiàn)象，溫度和壓力可以說(shuō)是影響氧化皮脫落的兩大重要因素，在實(shí)際處理工作中也要從這兩方面因素出發(fā)進(jìn)行綜合性治理。

4 超超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮脫落的治理策略

4.1 預(yù)防氧化皮產(chǎn)生的治理策略

在超超臨界鍋爐實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員要通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整措施，降低金屬當(dāng)中的熱偏差，對(duì)蒸汽壓力和蒸汽溫度進(jìn)行有效控制，從而減緩氧化皮的生成速度，從源頭上避免氧化皮脫落的現(xiàn)象發(fā)生。

從具體措施來(lái)看，相關(guān)技術(shù)人員要對(duì)超超臨界鍋爐的主熱氣溫度和再熱氣溫度進(jìn)行嚴(yán)密把控，杜絕蒸汽超溫的現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)要對(duì)燃燒狀況進(jìn)行適度地調(diào)整，防止?fàn)t膛當(dāng)中出現(xiàn)溫度偏差引發(fā)超溫現(xiàn)象。如果在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)個(gè)別管道出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，技術(shù)人員要提升運(yùn)行調(diào)整的力度，在必要的情況下可以降低蒸汽溫度來(lái)控制氧化皮的生成。此外，工作人員要依照高溫受熱面管壁的溫度進(jìn)行受熱面吹灰工作，避免燃燒波動(dòng)對(duì)蒸汽溫度產(chǎn)生影響。最后，技術(shù)人員需要對(duì)DCS 控制方式進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)AGC 負(fù)荷變化率進(jìn)行調(diào)整。

4.2 預(yù)防氧化皮脫落、聚積的治理策略

在氧化皮脫落的預(yù)防工作中，技術(shù)人員要重點(diǎn)把控氧化皮和基體材料二者之間的熱膨脹系數(shù)差異，防止氧化層當(dāng)中產(chǎn)生大量的應(yīng)力。同時(shí)需要嚴(yán)格把控鍋爐機(jī)組的負(fù)荷變化情況，防止恒定溫度變化導(dǎo)致氧化皮產(chǎn)生裂紋并脫落。當(dāng)氧化皮的厚度過(guò)大時(shí)，氧化皮的彈性應(yīng)變會(huì)因此而減小，這時(shí)技術(shù)人員要對(duì)氧化皮進(jìn)行及時(shí)地清理，防止氧化皮由于彈性應(yīng)變減小而產(chǎn)生脫落。此外，基體的幾何形狀同樣會(huì)對(duì)氧化皮的脫落產(chǎn)生明顯的影響，技術(shù)人員需要對(duì)基體的缺陷進(jìn)行調(diào)整，例如管徑過(guò)線、內(nèi)壁圓度不足以及內(nèi)壁的宏觀缺陷等，在硬件角度上防止氧化皮脫落的現(xiàn)象發(fā)生。

針對(duì)于氧化皮的聚積現(xiàn)象，技術(shù)人員一般都會(huì)采用吹掃的方式進(jìn)行處理。當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，技術(shù)人員要充分利用蒸汽的攜帶原理，將管道當(dāng)中沉淀的氧化皮進(jìn)行清理。在機(jī)組沖轉(zhuǎn)之前，技術(shù)人員需要將主汽壓力控制在5MPa 以下，保持主汽溫度在350～400℃區(qū)間內(nèi)，蒸汽壓力要始終保持在1.2MPa 以上。在參數(shù)確定時(shí)，技術(shù)人員要根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況適當(dāng)?shù)靥嵘裏嶝?fù)荷，通過(guò)穩(wěn)壓沖洗的方式來(lái)清理聚積的氧化皮。在沖洗工作中，化學(xué)技術(shù)人員要階段性地對(duì)蒸汽和凝結(jié)水的品質(zhì)進(jìn)行取樣分析，當(dāng)介質(zhì)中的Fe2+含量從低到高，再降至低水平線時(shí)，即可開(kāi)展機(jī)組的并網(wǎng)工作。

5 結(jié)語(yǔ)

超超臨界鍋爐當(dāng)中的高溫受熱面氧化皮脫落現(xiàn)象對(duì)鍋爐機(jī)組的運(yùn)行造成嚴(yán)重的不良影響。鑒于這種情況，相關(guān)技術(shù)人員要深度掌握氧化皮產(chǎn)生和脫落的具體原因，從氧化皮的產(chǎn)生、氧化皮的脫落以及氧化皮的清理角度入手，及時(shí)有效地處理問(wèn)題，最終使超超臨界鍋爐機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)保持穩(wěn)定，為生產(chǎn)工作提供充分的保障。