淺談火電廠鍋爐金屬氧化皮剝落問題及防范措施

吉林電力股份有限公司長春熱電分公司 鄧 欣

1 金屬高溫氧化及氧化皮的形成及剝落

金屬在使用期間受溫度的作用表面可能會(huì)被侵蝕，或是由于溫度過高發(fā)生氧化反應(yīng)，一定程度上降低金屬應(yīng)有的性能。金屬表面的性質(zhì)同金屬的惡化程度有直接關(guān)系，有關(guān)運(yùn)行維護(hù)人員需要慮的問題便是如何采取有效措施延緩金屬惡化的程度，以及在金屬表面形成防護(hù)層能否保證金屬受侵蝕后性能不發(fā)生變化。處于火電廠環(huán)境中鍋爐的爐管最易發(fā)生氧化皮脫落，而一旦發(fā)生這種問題將會(huì)堵塞爐管，從而增加火電廠運(yùn)行過程中的安全隱患。從火電廠發(fā)生意外事故的整體來看，由于氧化皮脫落造成的事故所占比例巨大。為能降低安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，避免產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)損失，保證運(yùn)行維護(hù)人員的生命安全，需要將處理此類事情放在重要位置。

另外，大部分鍋爐在燃燒過程中并沒有安裝保溫回?zé)岬难b置，導(dǎo)致大量的熱量自然揮發(fā)掉。而浪費(fèi)掉的這部分熱量需額外借助煤炭能源將其補(bǔ)回，一定程度上加劇了能源消耗。此外由于火電廠中的鍋爐普遍存在漏風(fēng)漏灰問題，導(dǎo)致其很難做到節(jié)約能源，無法降低能源消耗。如果不仔細(xì)去分析，這個(gè)事情看上去并不是十分嚴(yán)重，但要對(duì)其進(jìn)行深入研究，就會(huì)發(fā)現(xiàn)鍋爐存在漏灰問題，就代表著有一部分熱量沒有得到優(yōu)化利用。風(fēng)順著漏風(fēng)地方進(jìn)入鍋爐降低鍋爐內(nèi)部溫度，從而導(dǎo)致運(yùn)行維護(hù)人員需添加額外的煤粉來補(bǔ)充溫度，一定程度上造成能源的不合理利用[1]。此外，由于鍋爐漏風(fēng)將會(huì)造成煤粉無法均勻燃燒，即便是所選擇的煤炭品質(zhì)上乘也無法改變這一問題。這與燃燒質(zhì)量不好的煤粉起到異曲同工之妙，都是無法保證火電廠實(shí)現(xiàn)能源的合理配置。盡管需補(bǔ)充煤粉數(shù)量對(duì)每天燃燒數(shù)量所占比例甚小，但積少成多，就會(huì)發(fā)現(xiàn)資源浪費(fèi)極其嚴(yán)重。

火電廠燃煤過程中一般都選擇低污染、高燃煤效率且容量大的超臨界機(jī)組燃煤，且它與我國節(jié)能減排方針政策相符，已在火電廠建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著發(fā)電機(jī)組容量不斷擴(kuò)展，蒸汽參數(shù)的變大，在高溫受熱面上面已開始應(yīng)用抗氧化且高強(qiáng)度的耐熱鋼材料。由于火電廠中的鍋爐屬于不間斷的使用，在此過程中受熱面管由于種種原因作用將會(huì)剝落氧化皮，從而造成鍋爐管堵塞造成爆管問題[2]，嚴(yán)重情況下還將磨損葉輪、閥門，降低蒸汽水的質(zhì)量。所以說現(xiàn)階段在對(duì)火電廠安全進(jìn)行研究過程中，如何解決金屬氧化皮剝落問題已受到越來越多重視。

從研究上看，相關(guān)學(xué)者大都集中在研究鍋爐金屬氧化皮是如何形成的，卻很少根據(jù)鍋爐的使用材質(zhì)、生產(chǎn)運(yùn)行等方面進(jìn)行具體分析?？偟膩碇v尚未采取有效措施預(yù)防金屬氧化皮剝落問題。上世界二十年代末，德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在高溫水汽環(huán)境下金屬很容易發(fā)生氧化反應(yīng)，但水汽中的氧同溶解氧兩者間沒有任何關(guān)系。到七十年代，通過進(jìn)一步的研究可知，水汽和鐵元素兩者間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)能直接形成氧化物，具體原理如下：

火電廠實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，鍋爐在正式被應(yīng)用前，蒸汽中含有大量的氫元素，側(cè)面驗(yàn)證了上述結(jié)論的正確性[3]。但當(dāng)鍋爐被投入使用后氫氣含量會(huì)不斷減少，這就意味著鍋爐金屬表面開始逐漸形成氧化皮，從出現(xiàn)到最終形成一般不多于二十個(gè)小時(shí)。在此期間水中所含的氧氣不能夠?yàn)榉N種化學(xué)反應(yīng)提供所需的氧。在蒸汽環(huán)境下金屬屬于自然而然的形成氧化皮，在反應(yīng)最開始階段，氧化皮本身具有致密性，一般情況下是雙層膜結(jié)構(gòu)，它能有效阻止氧化反應(yīng)的進(jìn)一步繼續(xù)。但如發(fā)現(xiàn)有其他外力因素的干擾，如壓力波動(dòng)或是超溫，此時(shí)金屬的氧化皮將變?yōu)槎鄬幽そY(jié)構(gòu)[4]。隨著時(shí)間的推移，氧化皮的厚度逐漸增加、最終不堪重負(fù)而脫落。一般鍋爐的出口段及U 型立式管上部是脫落最容易的地方，這是因?yàn)榇藚^(qū)域的溫度較高，皮層厚度大，受自重的影響拉應(yīng)力加強(qiáng)。一旦溫度發(fā)生變化，這個(gè)區(qū)域的拉伸隨之發(fā)生變動(dòng)，導(dǎo)致金屬體和氧化皮之間出現(xiàn)明顯松動(dòng)，最終造成氧化皮脫落。

2 鍋爐氧化皮脫落原因及造成的影響

火電廠鍋爐在運(yùn)行期間蒸汽溫度可高達(dá)六百度左右，剛好符合蒸汽氧化的范圍。這時(shí)水蒸氣就會(huì)自然分解，然后同鍋爐的金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也就造成金屬氧化皮。隨著高溫時(shí)間的延長，金屬管壁就會(huì)一直處于氧化狀態(tài)，最終產(chǎn)生大面積的氧化皮。一旦氧化皮的厚度達(dá)到一定數(shù)值后便會(huì)自然而然進(jìn)行脫落。以下是造成氧化皮脫落的相關(guān)原因[5]。

爐管材質(zhì)的影響?；痣姀S所使用的鍋爐合金成分豐富多樣，各種成分的抗氧性及溫度上面存在明顯差異。如在設(shè)計(jì)鍋爐過程中未能考慮這些條件，將導(dǎo)致爐管溫度在很長時(shí)間超過抗氧化溫度，導(dǎo)致其鍋爐氧化速度加快，氧化皮的厚度將會(huì)超出一定標(biāo)準(zhǔn)從而剝落；管壁溫度的影響。對(duì)于氧化皮發(fā)生剝落的鍋爐或者是出現(xiàn)安全事故的，通常情況下可以翻閱運(yùn)行記錄來確定是否由于管壁溫度過高造成。如果鍋爐在運(yùn)行過程中，其金屬表面溫度超出可接受的溫度，就會(huì)迅速進(jìn)行氧化，從而導(dǎo)致氧化皮厚度不斷增加，等到了某一個(gè)厚度值之后，將會(huì)發(fā)生氧化皮脫落。

機(jī)組啟停過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。火電廠運(yùn)行過程中在啟動(dòng)機(jī)組時(shí)，一般情況下會(huì)承受較大的熱負(fù)荷。如果在此過程中水循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到相關(guān)規(guī)定將會(huì)導(dǎo)致爐管保持高溫干燒，從而導(dǎo)致迅速發(fā)生氧化反應(yīng)。一旦發(fā)生這種現(xiàn)象，通常運(yùn)行人員會(huì)選擇往爐管中噴入溫水的方式進(jìn)行降溫。盡管這種做法能降低爐管溫度，但卻會(huì)造成熱應(yīng)力，從而致使氧化皮剝落。目前常見的氧化皮脫落現(xiàn)象都是由于這種問題導(dǎo)致的。等機(jī)組停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，熱負(fù)荷將會(huì)發(fā)生大幅度波動(dòng)，或是只能借助溫水來保持蒸汽的熱量，導(dǎo)致降低溫度、產(chǎn)生熱應(yīng)力、剝落氧化皮。總的來說，機(jī)組在啟停過程中溫度的變化會(huì)引起熱應(yīng)力的變動(dòng)，從而導(dǎo)致氧化皮剝落。

主汽門容易卡澀?；痣姀S運(yùn)行過程中，為避免機(jī)組在運(yùn)行期間由于大閘停機(jī)造成飛車，一般會(huì)為火電廠配備汽機(jī)高壓主汽閥，它還能在一定程度上保障機(jī)組調(diào)機(jī)安全。如果在火電廠正常運(yùn)行期間，機(jī)組進(jìn)行甩負(fù)荷作業(yè)時(shí)主汽閥未能及時(shí)關(guān)閉，很易在此過程中出現(xiàn)危險(xiǎn)。閥桿同主汽閥閥套之間間隔小，一旦鍋爐管受外界因素影響剝落氧化皮，那么它將會(huì)卡在間隙當(dāng)中，從而導(dǎo)致主汽門卡澀。

發(fā)生爆管?；痣姀S中的鍋爐金屬在剝落氧化皮后會(huì)堵塞鍋爐管道，導(dǎo)致管道內(nèi)的蒸汽流通困難，導(dǎo)致由于高溫作用造成管道炸裂。由于高溫造成管道炸裂的意外事故在很多火電廠中都曾發(fā)生過，事發(fā)后為盡可能避免產(chǎn)生不必要的損失通常需借助化學(xué)清洗。隨著氧化皮測厚技術(shù)的不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，當(dāng)前火電廠已可根據(jù)鍋爐受熱面的基本狀態(tài)來推斷鍋爐能夠使用的時(shí)間。

汽機(jī)相關(guān)部件受損。鍋爐過熱器和再熱器上面的金屬氧化皮一般都會(huì)跟隨蒸汽進(jìn)入汽機(jī)中，受汽機(jī)噴嘴的影響速度不斷上升從而產(chǎn)生動(dòng)力。在此過程中，如和汽機(jī)中的動(dòng)葉或噴嘴發(fā)生接觸將會(huì)損害葉片，一定程度上降低汽機(jī)運(yùn)作效率，葉片強(qiáng)度隨之發(fā)生改變，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致葉片直接斷裂；增加水蒸氣中鐵元素含量。鍋爐金屬氧化皮剝落過程中，一些細(xì)小顆粒會(huì)被高速運(yùn)轉(zhuǎn)的水蒸汽帶出去，等到同汽輪機(jī)上葉片發(fā)生接觸后顆粒將會(huì)被再次破碎，并會(huì)促使葉片中的沖蝕物體進(jìn)入凝汽器里。而那些細(xì)小顆粒會(huì)四處擴(kuò)散，成為熱力設(shè)備結(jié)構(gòu)當(dāng)中的一份子；造成鍋爐受熱面溫度超出一定范圍。同金屬木材之類的材料相比，鍋爐金屬氧化皮的導(dǎo)熱系數(shù)偏低，鍋爐管壁在產(chǎn)生氧化皮后將會(huì)增加鍋爐管道中的導(dǎo)熱熱阻，進(jìn)一步促使金屬管道升溫。

3 防止鍋爐金屬氧化皮剝落的有效措施

將鍋爐運(yùn)行溫度控制在一定的范圍內(nèi)。通過對(duì)鍋爐金屬氧化皮形成、脫落的原因分析可知，為避免在短時(shí)間鍋爐金屬部位形成氧化皮，首要措施是保證整個(gè)火電廠運(yùn)行期間溫度得到有效管控。不管是主要蒸汽產(chǎn)生的溫度值還是其他方面產(chǎn)生的溫度，都需將其控制在合理范圍內(nèi)，從而保證鍋爐管道壁溫度不會(huì)在運(yùn)行過程中發(fā)生較大變化。一旦在鍋爐運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)鍋爐管道壁溫度超出既定范圍，就需在第一時(shí)間采取措施調(diào)整燃燒。如這種做法不起作用，就應(yīng)一定程度上降低中間點(diǎn)的溫度，從而保證整體溫度適中。通過這樣的措施，能避免由于鍋爐受熱面溫度過高而造成金屬氧化皮脫落。

合理管控鍋爐運(yùn)行的開始與停止。當(dāng)啟動(dòng)機(jī)組后需嚴(yán)格遵守相關(guān)步驟規(guī)定，把控機(jī)組整體的溫度，最大程度上降低機(jī)組變化頻率，防止發(fā)生緊急停運(yùn)。監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)運(yùn)行問題及時(shí)采取有效措施解決問題，盡可能防止氣溫、壓強(qiáng)等發(fā)生過大的變化。鍋爐運(yùn)行過程中需有效管控蒸汽的溫度，確保溫度變化在可控范圍內(nèi)。將蒸汽溫度變化速率標(biāo)準(zhǔn)降低，從而有效避免鍋爐管道溫度變化過大造成剝落氧化皮。此外鍋爐內(nèi)部最好不要使用太多溫水，避免鍋爐內(nèi)氣溫產(chǎn)生劇烈波動(dòng)。

做好清理氧化皮工作。維護(hù)人員需及時(shí)查看鍋爐內(nèi)部氧化皮堵塞情況，從而確保在第一時(shí)間清理產(chǎn)生的氧化皮。從全局出發(fā)，在防磨爆體系中添加監(jiān)測氧化皮工作，只要是存在高溫受熱面問題就應(yīng)進(jìn)行檢查。在檢查過程中，對(duì)堆積過多氧化皮的管道應(yīng)及時(shí)進(jìn)行切割。在進(jìn)行機(jī)組清理工作過程中，可借助氧化皮檢測儀器進(jìn)行全方位檢測。另外射線檢驗(yàn)也是一種有效措施；做好溫度檢測工作。需采取一定手段避免機(jī)組運(yùn)行過程中溫度超過限定范圍，提前制定相應(yīng)的防溫措施，加大金屬超溫研究力度。此外在機(jī)組內(nèi)部需采取必要手段保證鍋爐管道壁檢測溫度工作有序進(jìn)行。在此過程中應(yīng)確保檢測人員人身安全。鍋爐運(yùn)行過程中，需實(shí)時(shí)監(jiān)控鍋爐受熱面溫度變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)鍋爐溫度超出合理范圍應(yīng)及時(shí)尋找解決辦法。

提高鍋爐材質(zhì)的抗氧性能。鍋爐氧化皮脫落同鍋爐材質(zhì)有著一定關(guān)系，一般T23含量較多的鍋爐管剝落氧化皮發(fā)生幾率更高?？蓪㈠仩t材質(zhì)更換為耐熱性能良好的T91材質(zhì)；控制鍋爐金屬受熱面溫度。為保證鍋爐可充分燃燒，需優(yōu)化改進(jìn)煤粉精細(xì)度、調(diào)整燃燒器相關(guān)結(jié)構(gòu)；將吹灰器安裝在鍋爐爐膛內(nèi)部能有效改善燃燒器的使用狀況，擴(kuò)大鍋爐的受熱面積，從而保證鍋爐金屬受熱面的溫度保持在一定的范圍內(nèi)；優(yōu)化金屬結(jié)構(gòu)。鍋爐的具體材質(zhì)同氧化皮的形成于剝落有著很大聯(lián)系，為此需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。一般來講，將鍋爐受熱面的材質(zhì)換成T22這種氧化性較高的材質(zhì)，能在一定程度上降低氧化皮剝落的概率。在清理金屬氧化皮時(shí)可選擇往水中加氟的方法，能有效提高氧化皮的穩(wěn)定性。

總之，火電廠鍋爐在運(yùn)行過程中受多方面因素的影響形成氧化皮，并隨著溫度等條件變化導(dǎo)致氧化皮剝落，在此過程中會(huì)在一定程度上損壞鍋爐設(shè)備。為此要求運(yùn)行維護(hù)人員立足于現(xiàn)實(shí)情況，選擇切實(shí)可行的解決措施，從而保證火電廠安全運(yùn)行。