超臨界機(jī)組電站鍋爐氧化皮脫落的分析與防治

摘 要：爐管氧化皮脫落在超臨界機(jī)組中是一個比較普遍的問題。近年來因氧化皮脫落堵塞已造成多起鍋爐爆管事故。因此對氧化皮的分析和研究具有非常重要的意義。為控制此類事故發(fā)生，減少火電廠經(jīng)濟(jì)損失，本文主要對機(jī)組運(yùn)行中爐管氧化皮脫落的原因分析，并在此基礎(chǔ)上提出針對性的預(yù)防和治理措施。

關(guān)鍵詞：爐管氧化皮脫落；超臨界；防治措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.191

1 氧化皮問題的研究背景和意義

近年來，隨著超臨界機(jī)組已成為我國火電市場的主力機(jī)型，爐管氧化皮脫落已成為火電機(jī)組越來越嚴(yán)重的問題，在高溫高壓環(huán)境中，鍋爐蒸汽管道金屬和高溫蒸氣發(fā)生氧化作用，形成的氧化皮隨著機(jī)組參數(shù)變化脫落并堆積在彎管處，就會導(dǎo)致彎管爆破事故。分析鍋爐氧化皮脫落的原因并得出有效的防治措施，對超臨界機(jī)組鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

2 氧化皮的危害

由于金屬材料在高溫下可直接和水汽本身的結(jié)合氧發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，金屬高溫氧化的結(jié)果是在金屬表面產(chǎn)生一定厚度的氧化皮，鍋爐過熱器、再熱器和主蒸汽管道等部位高溫氧化皮若發(fā)生剝落，會產(chǎn)生以下問題：（1）氧化皮在管屏彎頭下部易發(fā)生堵塞（圖2），造成高溫受熱面金屬管壁超溫，嚴(yán)重時導(dǎo)致機(jī)組被迫停運(yùn)。

（2）氧化皮大量脫落造成爐管壁厚變薄、強(qiáng)度降低最終引起爆管。

（3）氧化皮是堅硬的固體顆粒，從鍋爐高溫受熱面以及高溫蒸汽管道脫落下來的氧化皮，會對汽輪機(jī)高/中壓缸的動葉、噴嘴造成嚴(yán)重沖蝕，給主汽閥、旁路閥閥座和閥芯造成嚴(yán)重?fù)p傷（圖3），葉片損傷嚴(yán)重時必須更換[1]。

（4）造成主汽閥和調(diào)節(jié)閥卡澀，閥門操作遲滯，改變了閥門的調(diào)節(jié)特性。

（5）為了減緩氧化皮脫落，被迫降參數(shù)運(yùn)行，犧牲了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

由此可見，氧化皮脫落會導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性均大幅降低，給超臨界機(jī)組鍋爐的長期穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大安全隱患。

3 氧化皮形成剝落分析

3.1 氧化皮的形成

氧化皮是金屬與高溫蒸汽發(fā)生氧化的產(chǎn)物。當(dāng)蒸汽溫度低于570℃時候，氧化產(chǎn)物是由致密的，F(xiàn)e2O3和Fe3O4組成，從而避免鋼材其進(jìn)一步氧化；當(dāng)蒸汽溫度高于570℃時，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO層組成（FeO在最內(nèi)層），F(xiàn)eO為主要組成物，因FeO結(jié)構(gòu)較為疏松，造成氧化膜不夠穩(wěn)定[2]（圖4）。

3.2 氧化皮生成的影響因素

氧化皮形成與溫度、時間、氧含量、蒸汽壓力和流速、鋼材成分、氧化皮成分等有關(guān)。一般認(rèn)為：溫度愈高、時間越長、高溫蒸汽流速越快氧化皮生成越快[3]。由圖5可見，當(dāng)蒸汽管道在1075K（580℃）下運(yùn)行15萬小時后金屬氧化皮厚度將達(dá)到30mils（0.762mm），而當(dāng)管道在1150K（620℃）下運(yùn)行3萬小時后氧化皮厚度就可達(dá)到30mils（0.762mm）。由此可見，金屬超溫運(yùn)行大大促進(jìn)了氧化皮的生成。由圖6可見，在同樣的運(yùn)行溫度下，氧化時間越長，氧化皮生成量越多；同樣的運(yùn)行時間下，運(yùn)行溫度越高，曲線越陡，氧化皮生成量也越多。

鋼中加人Cr、AI、Si等元素，可以在爐管表面形成一層堅固致密的氧化膜，使鋼材的抗氧化性提高。實踐證明在600～700℃條件下，Cr含量在25%以上的鋼，氧化層的生成速度非常緩慢[4]。

根據(jù)大量研究成果，管道表面的氧化皮不是由高溫蒸汽中的溶解氧和鐵氧化生成，而是由蒸汽分子中的原子氧和鐵反應(yīng)生成。當(dāng)蒸汽溫度超過570℃時，水分子會分解為原子結(jié)構(gòu)，分解而來的氧原子會和管道的鐵原子發(fā)生氧化反應(yīng)，造成氧化皮的產(chǎn)生。570℃是形成疏松的FeO的溫度臨界點，應(yīng)作為火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行的重要參考數(shù)據(jù)。

3.3 氧化皮剝落的影響因素

根據(jù)爐管氧化皮的生成和脫落機(jī)理，氧化皮剝落的影響因素主要有以下幾個方面：

（1）鋼材成分。超臨界機(jī)組鍋爐常用的鋼材主要有T23、T91、TP347和Super304H等，這些鋼材屬于合金鋼，鋼材組分不同，元素含量各異，抗氧化能力也不同。

（2）管壁溫度。管壁溫度對金屬表面氧化皮的生成有著重要影響。當(dāng)鍋爐蒸汽管道長期在超過自身抗氧化能力的溫度下運(yùn)行時，管道金屬和高溫蒸汽的氧化反應(yīng)就會加快，氧化皮的生成量就會增多，氧化皮厚度超過一定厚度，就會引起氧化皮的脫落。

（3）機(jī)組啟停時的熱應(yīng)力。當(dāng)鍋爐啟動尤其是冷態(tài)啟動時，由于正常的水循環(huán)未能建立，過熱器和再熱器中沒有蒸汽流過，處于干燒狀態(tài)，如爐膛出口溫度控制不好，很可能造成過熱器和再熱器管道超溫運(yùn)行，加快金屬氧化速度。

4 爐管氧化皮的防治措施

根據(jù)氧化皮的生成機(jī)理，氧化皮的生成屬于自然現(xiàn)象，不能根治，但可以控制。從氧化皮脫落的影響因素看，可以從運(yùn)行和檢修兩方面提出以下防止鍋爐氧化皮脫落的措施。

4.1 檢修中的防治措施

（1）機(jī)組停運(yùn)時加強(qiáng)對氧化皮的檢查。當(dāng)機(jī)組停機(jī)后，根據(jù)檢修計劃對高溫過熱器、高溫再熱器的彎頭割管檢查并拍片，有條件的可以抽取一些彎頭部位進(jìn)行氧化皮的測厚，及時掌握管內(nèi)金屬氧化皮的堆積狀況，對氧化皮堆積過量的管子進(jìn)行更換。加強(qiáng)氧化皮的檢查及風(fēng)險評估工作，避免發(fā)生爆管事故。

（2）提高材料抗氧化性。不同材料的抗氧化能力是不同，應(yīng)用較高抗氧化能力的鋼材能有效減少氧化皮的產(chǎn)生。比如，T23鋼材抗氧化能力較弱，可以通過更換具有更高抗氧化能力的T91鋼材。但是這種做法代價較高，可以考慮選擇個別超溫或者氧化皮脫落嚴(yán)重的部位進(jìn)行更換，來減弱氧化皮對機(jī)組運(yùn)行的影響。

（3）對受熱面采用鍍鉻處理。對爐管表面鍍鉻，可使?fàn)t管表面產(chǎn)生薄的保護(hù)性氧化皮，這種氧化皮致密且附著力強(qiáng)，不易脫落，它通過降低Fe2+濃度，使金屬氧化物的生成速度減緩2/3。但是采用表面鍍鉻法處理費(fèi)用高，且存在環(huán)境污染，限制了這一方法的推廣和應(yīng)用。

（4）進(jìn)行化學(xué)清洗。對爐管采用化學(xué)清洗去除堆積氧化皮是一種行之有效的辦法。當(dāng)管內(nèi)氧化皮堆積較多，氧化皮平均厚度在0.3mm以上時應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗，清洗溶液一般選擇羚基乙酸、乙酸、EDTA，清洗時長一般為12小時，清洗次數(shù)一般為2-3次。

化學(xué)清洗時要使管道內(nèi)的氧化皮清除干凈，不能在彎頭和管道底部有殘留物堆積。必要時考慮在化學(xué)清洗后吹管，使雜物吹除干凈。

4.2 運(yùn)行中的防治措施

（1）控制管壁溫度，避免超溫。機(jī)組運(yùn)行中，要加強(qiáng)對末級過熱器、末級再熱器的壁溫監(jiān)視，防止?fàn)t管超溫運(yùn)行，同時加強(qiáng)燃燒調(diào)整，使末級過熱器、末級再熱器壁溫偏差在規(guī)定范圍內(nèi)，如發(fā)現(xiàn)壁溫偏差較大，因分析原因，采取對策。

（2）嚴(yán)格控制機(jī)組啟停期間的溫升（降）率。鍋爐冷態(tài)啟動時，要按照鍋爐運(yùn)行規(guī)程中的啟動曲線進(jìn)行升溫升壓；當(dāng)鍋爐熱態(tài)啟動時，要嚴(yán)格控制高溫受熱面壁面溫度，避免管壁溫度快速冷卻產(chǎn)生較大熱應(yīng)力；鍋爐停運(yùn)時，同樣要按照運(yùn)行規(guī)程中的停運(yùn)曲線降溫降壓。

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)火電技術(shù)向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展以及一些火電機(jī)組長時間運(yùn)行，爐管氧化皮脫落問題在國內(nèi)超臨界機(jī)組已越來越多的暴露出來。對氧化皮進(jìn)行研究和防治，已經(jīng)顯得越來越重要。本文通過分析氧化皮的成因和脫落機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出氧化皮脫落的防治措施，可提高相關(guān)單位對氧化皮問題的認(rèn)識和理解，為火力發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行提供借鑒和參考。

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作者簡介：王具寶（1983-），男，寧夏銀川人，研究生，工程師，主要從事鍋爐、壓力容器、壓力管道檢驗工作。