淺談火電廠鍋爐金屬氧化皮剝落問題及防范措施

薛峰

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院，河北 石家莊 050000）

在當前經(jīng)濟水平不斷提升的背景下，我國的電力建設(shè)也取得了一定的成就，大容量超臨界機組因其在環(huán)保、排污等方面特有的優(yōu)勢，在近幾年的火力發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用，其也與我國全面提升能源使用效率的能源發(fā)展方向相契合。雖然大容量超臨界機組在火力發(fā)電中有著明顯的優(yōu)勢，新型耐熱鋼的強度能夠保證且抗蒸汽氧化性等各項性能比較好，但是，鍋爐經(jīng)過長時間的運行就會出現(xiàn)不同程度的金屬氧化皮剝落情況，增加了鍋爐管道堵塞的可能性，甚至在實際運行中還會出現(xiàn)爆管的情況，為整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了一定的阻礙。因此，有必要加強對火電廠鍋爐金屬氧化皮剝落問題的研究，以促進火電廠的穩(wěn)定運行。

1 鍋爐金屬氧化皮形成以及剝落的機理

20世紀20年代，一位德國科學家發(fā)現(xiàn)了金屬在高溫水汽中很容易出現(xiàn)氧化反應(yīng)，而金屬中含有的氧氣就是水汽中的結(jié)合氧。70年代，相關(guān)科學家通過顯微鏡對鐵和水汽的反應(yīng)進行了觀察，從而得出了鐵元素和水汽能夠直接反應(yīng)的結(jié)論，并得出了相應(yīng)的化學反應(yīng)式：

在實際的電生產(chǎn)過程中，鍋爐投產(chǎn)之初含有的蒸汽中就含有大量的氫元素，這就足以說明上述的化學方程式是完全合理的。隨著鍋爐的正式投入使用，鍋爐內(nèi)的氫元素含量也會明顯減少，此時，鍋爐金屬表面存在的致密性氧化皮就逐漸形成，通常情況下，金屬氧化皮會在20h內(nèi)形成；而且，通過一系列的計算發(fā)現(xiàn)，水中存在的氧氣并不能對這種反應(yīng)提供充足的氧元素，這就進一步證明了上述化學反應(yīng)的準確性。

深入分析，在蒸汽環(huán)境下，金屬內(nèi)壁出現(xiàn)氧化皮情況實際上是一個自然的過程，金屬最初處于蒸汽狀態(tài)時，氧化皮就會快速生成，一旦形成后，相應(yīng)的氧化反應(yīng)就會變慢，而且，金屬初步進入蒸汽環(huán)境時，形成的氧化皮結(jié)構(gòu)具有很強的致密性，可以有效阻礙氧化反應(yīng)的進一步發(fā)生。而如果環(huán)境因素的穩(wěn)定性得不到保證時，如超溫、壓力波動等，從而就會使金屬的雙層膜氧化皮結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬幽ぱ趸そY(jié)構(gòu)，此時，氧化皮的厚度不斷增加，剝落的可能性也就不斷增大。筆者通過對實踐工作的深入調(diào)查發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常出現(xiàn)氧化皮剝落的部位是鍋爐U型立式管的上部，尤其是出口一側(cè)的氧化皮剝落情況更加明顯。深究其原因發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域在實際運行中的溫度相對較高，皮層較厚，而且，其也承受著較大的自重，相應(yīng)的拉應(yīng)力比較大，在這種情況下，如果溫度發(fā)生較大的變化，此區(qū)域的拉伸水平也就會發(fā)生一定的變化，再加上金屬和氧化皮的熱漲系數(shù)存在一定的差異，從而也就使得二者之間出現(xiàn)不同程度的松動情況，氧化皮剝落的可能性大大增加。

2 導致氧化皮形成以及剝落的因素

2.1 氧化皮形成方面

關(guān)于鍋爐金屬氧化皮的研究顯示，當實際溫度超出鍋爐的常規(guī)溫度時，金屬材料本身的屬性就會使得鍋爐金屬的氧化皮出現(xiàn)脫落的情況。深入探究可從以下兩方面來看：首先，超溫環(huán)境對金屬氧化皮的影響。在機組持續(xù)運行過程中，鍋爐氧化層的厚度會不斷提升，而鍋爐管壁又處于一種超溫的狀態(tài)下，相關(guān)加熱裝置內(nèi)壁的氧化皮就會跟隨溫度的變化而不斷加厚。除此之外，不同的材料也會對氧化皮產(chǎn)生一定的影響。不同類型、性能的材料，其氧化皮抵抗剝落的能力也存在著明顯的差距，由此可見，相關(guān)材料的選擇是非常重要的。因此，在后續(xù)選擇材料時，就需要將形成氧化皮后的抗剝落能力關(guān)注起來，尤其是在選擇鋼材時，盡量選擇含量中加鉻的材料，以確保鋼材的抗氧化性能。通常情況下，相關(guān)工作人員在選擇鋼材時都會選擇T91和TP347H型號的鋼材，抗氧化溫度相對較高，從而降低氧化皮不斷加厚的可能。

2.2 氧化皮剝落方面

深入研究，諸多因素的差異化現(xiàn)象會在很大程度上影響金屬氧化皮的剝落，在此過程中，不僅與物性參數(shù)有關(guān)，氧化皮的厚度以及溫度的不斷變化都會對金屬氧化皮的剝落產(chǎn)生明顯影響。就拿氧化皮的厚度來說，當氧化皮的厚度增加到一定范圍后，其中的不銹鋼厚度也會不斷增加，超過0.1mm，鉻鉬鋼的厚度也會在0.5mm左右，在這種情況下，如果相應(yīng)的溫度發(fā)生了明顯的變化，此時，金屬氧化皮脫落的可能性也會大大增加。不僅如此，在氧化皮厚度不斷增加的同時，其彈性也會不斷降低，再加上溫度的不斷變化，機組啟動和停機時的溫度、荷載以及壓力又會出現(xiàn)不同程度的變化，更會大大增加氧化皮脫落的可能性。對于這一情況，國外作了一系列的研究，以600兆瓦的超臨界寄主為例，利用等速采樣系統(tǒng)，對主蒸汽管的啟停以及滿載等不同環(huán)境下進行測試，并總結(jié)出了300多份的樣本。總的分析發(fā)現(xiàn)，在進行開啟和關(guān)機操作時，同體顆粒濃度比正常環(huán)境下高出3倍，由此也就可以得知，在啟停環(huán)節(jié)，金屬氧化皮的脫落情況將會更加嚴重。

3 金屬氧化皮剝落的預(yù)防措施

3.1 緩解金屬受熱面的超溫情況

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，金屬受熱面的超溫現(xiàn)象對金屬氧化皮的剝落產(chǎn)生很大的影響，因此，相關(guān)工作人員有必要將其重視起來，根據(jù)金屬氧化皮剝落的實際情況，對煤粉的細度、燃燒器的結(jié)構(gòu)以及鍋爐的變煤種進行適當?shù)恼{(diào)整，以確保鍋爐的有效燃燒；除此之外，還要根據(jù)鍋爐運行的實際情況合理增加鍋爐爐膛區(qū)域的吹灰器，對鍋爐燃燒器進行改進，在合理范圍內(nèi)盡可能地擴大鍋爐受熱面，而且，再熱器的管屏也要進行綜合的考慮，在管屏上合理安裝絕熱材料，鍋爐的受熱面通道也要進行進一步的優(yōu)化，盡可能地避免金屬受熱面出現(xiàn)超溫的情況，緩解金屬氧化層的快速形成。

3.2 合理控制鍋爐啟停過程中的相關(guān)參數(shù)

通常情況下，在火電廠鍋爐的啟停過程中，相關(guān)參數(shù)會呈現(xiàn)出動態(tài)性變化的特點，此時，工作人員需要對相關(guān)參數(shù)進行進一步的優(yōu)化，例如，旁路系統(tǒng)應(yīng)盡快實現(xiàn)正常運行，或者也可以嘗試帶旁路啟動，以避免在啟動過程中出現(xiàn)固體顆粒物侵蝕蒸汽輪機的情況，也便于對啟動過程中的主參數(shù)進行有效的控制。除此之外，在合理的基礎(chǔ)上盡可能地推遲制粉系統(tǒng)的運行時間，在啟動過程中可以快速度通過低負荷階段，這樣做可以在一定程度上緩解氧化層的快速形成。

3.3 進一步優(yōu)化母材以及相關(guān)結(jié)構(gòu)

要想有效緩解氧化皮的剝落情況，就需要將金屬材料的合理選擇重視起來，鍋爐受熱面的材料盡量選用T22一類的允許運行溫度以及抗氧化性能較高的材料，而且還要對金屬母材進行進一步的優(yōu)化，及時更換容易超出規(guī)定運行溫度的管材，以此將溫度控制在合理范圍內(nèi)。此外，相關(guān)工作人員還可以利用給水加氧的方法來對鍋爐的金屬氧化皮進行處理，在此過程中，可以在已經(jīng)形成的四氧化三鐵物質(zhì)上覆蓋一層三氧化二鐵，例如，鍋爐金屬受熱面進行鍍鉻處理或者進行化學清洗等，這些都可以在一定程度上改變氧化膜的溶解度，氧化皮的穩(wěn)定性也會大大提升，自然剝落情況就會有所緩解。從鍋爐設(shè)備設(shè)計方面來看，上述的化學處理也能有效減少氧化皮的生成，但是，在此過程中需要注意的是，要合理調(diào)節(jié)噴嘴以及主氣閥的結(jié)構(gòu)，盡可能地減少金屬氧化皮的脫落情況。

3.4 建立檢修制度

對于火電廠鍋爐運行中存在的氧化皮脫落問題，當前，還沒有完全消除此類問題的方法，對于這一問題，可以從企業(yè)管理的角度上入手，綜合考慮以往火電廠鍋爐金屬氧化皮脫落的實際情況，將生產(chǎn)現(xiàn)場的管理工作重視起來，建立檢查和抽檢制度，定期開展鍋爐設(shè)備的檢查工作，以便于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行中出現(xiàn)的問題，并采取有效的措施進行解決，為火電廠設(shè)備的安全運行提供保障。

4 結(jié)語

總之，溫度、金屬材質(zhì)等都在不同程度上影響著鍋爐金屬氧化皮的剝落，對此，要想有效解決氧化皮的剝落問題，首先，需要做的就是充分了解氧化皮形成以及剝落的機理，并對導致其形成及剝落的因素進行深入分析，從而制定出行之有效的預(yù)防措施。針對金屬氧化皮脫落問題，需要對金屬氧化皮的超溫情況進行有效的控制，并且還要優(yōu)化鍋爐啟停過程中的相關(guān)參數(shù)，合理選擇母材等，以此緩解鍋爐金屬氧化皮的剝落情況，從而為火電廠鍋爐設(shè)備的穩(wěn)定運行提供保障。