過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究與應(yīng)用

杜學(xué)聰 劉 忠

（1. 浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315722；2. 北京蕊奧博科技開發(fā)有限任公司，北京 100095）

0 引言

在高溫環(huán)境下，水蒸汽管道表面水分子與金屬元素發(fā)生反應(yīng)，生成鐵氧化物的過程，稱為蒸汽氧化。反應(yīng)式如下：3Fe+4H2O（g）→Fe3O4+4H2。

從上述反應(yīng)式可看出，金屬表面形成了Fe3O4后，阻擋了Fe和水汽的接觸，反應(yīng)速度就取決于氫和鐵離子的擴(kuò)散速度，隨著Fe3O4膜的增厚，擴(kuò)散速度便隨著降低，氫的析出量就隨著降低。因此可根據(jù)氫的析出量變化，間接地檢測(cè)Fe3O4膜的形成情況。本項(xiàng)目研制的過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)用于發(fā)電廠過熱器氧化皮生長(zhǎng)速率的在線監(jiān)測(cè)，其通過監(jiān)測(cè)過熱器入口蒸汽和過熱器出口蒸汽中的微量溶解氫含量及過熱蒸汽流量和其它相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控過熱器氧化皮生長(zhǎng)速率狀況。

氫腐蝕：爐管暴露在高溫高壓的氫氣環(huán)境中或者析氫條件下，氫原子在設(shè)備表面或滲入鋼內(nèi)部與不穩(wěn)定的碳化物發(fā)生反應(yīng)，在晶界上生成甲烷，使?fàn)t管脫碳，機(jī)械強(qiáng)度受到永久性的破壞。在爐管內(nèi)部氧化膜下面生成的甲烷無法外溢而集聚在爐管內(nèi)部氧化膜下面形成巨大的局部壓力，造成應(yīng)力集中而發(fā)展為晶間微裂紋（應(yīng)力腐蝕）。其反應(yīng)方程為 Fe3C+2H2→3Fe+CH4。

1 研究的現(xiàn)狀

常規(guī)過熱器氧化皮的監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有應(yīng)用，尤其在大容量機(jī)組上的應(yīng)用比較廣泛，對(duì)于保障大容量機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用。目前，國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠過熱器氧化皮的監(jiān)測(cè)技術(shù)有如下方法：

監(jiān)測(cè)方法分類：主要測(cè)量方法有割管法，電感法，溶解氫法；

割管法：是在設(shè)備運(yùn)行一定時(shí)間后檢測(cè)有無裂紋，剩余壁厚是多少，需要在機(jī)組停機(jī)時(shí)檢測(cè)；

超聲波法和漏磁法法：在機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)，檢測(cè)因介質(zhì)作用使設(shè)備發(fā)生的腐蝕速率是多少；

電感法：出現(xiàn)于九十年代，測(cè)試敏感度高，適應(yīng)于各種介質(zhì)。其原理是將一金屬薄片置于探頭外表面，通過測(cè)量探頭內(nèi)線圈信號(hào)的變化推算腐蝕速度，需要在高溫高壓管道上安裝探頭；

溶解氫法：檢測(cè)因介質(zhì)作用使設(shè)備發(fā)生的腐蝕速率是多少，獲得的是設(shè)備腐蝕過程的有關(guān)信息，以及生產(chǎn)操作參數(shù)（包括加工工藝、腐蝕防護(hù)措施）與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)，并依此數(shù)據(jù)調(diào)整生產(chǎn)操作參數(shù)，其主要目的是控制腐蝕的發(fā)生與發(fā)展，使設(shè)備處于良性運(yùn)行。

2 研究的主要內(nèi)容

本項(xiàng)目依據(jù)發(fā)電廠鍋爐腐蝕機(jī)理，設(shè)計(jì)研制了發(fā)電廠過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在國(guó)內(nèi)某電廠進(jìn)行了過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。溶解氫在線檢測(cè)系統(tǒng)原理如下：

在發(fā)電廠過熱器管道上安裝在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀和氧化皮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)過熱蒸汽的入口、出口溶解氫含量；氧化皮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集分析過熱蒸汽流量、相關(guān)化學(xué)參數(shù)、溫度等信息。獲得的是設(shè)備腐蝕過程的有關(guān)信息，以及生產(chǎn)操作參數(shù)（包括加工工藝、腐蝕防護(hù)措施）與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)，并依此數(shù)據(jù)調(diào)整生產(chǎn)操作參數(shù)，其主要目的是控制腐蝕的發(fā)生與發(fā)展，使設(shè)備處于良性運(yùn)行。

2.1 過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀、過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集單元、過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件組成。

2.1.1 在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀

在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過熱器蒸汽入口溶解氫和過熱器蒸汽出口溶解氫含量及變化趨勢(shì)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊IS中，溶解氫含量是設(shè)備腐蝕過程的關(guān)鍵參數(shù)。

2.1.2 過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集單元

過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集單元負(fù)責(zé)將過熱器蒸汽入口溶解氫含量、過熱器蒸。

汽出口溶解氫含量、過熱蒸汽流量、過熱蒸汽溫度、過熱器壁溫、機(jī)組負(fù)荷、給水pH、給水溶解氧、過熱蒸汽溶解氧等參數(shù)從SIS中采集到過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件中。

2.1.3 過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件

過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件負(fù)責(zé)分析過熱器蒸汽入口溶解氫含量、過熱器蒸汽出口溶解氫含量、過熱蒸汽流量、過熱蒸汽溫度、過熱器壁溫、機(jī)組負(fù)荷、給水pH、給水溶解氧、過熱蒸汽溶解氧等參數(shù)，生產(chǎn)操作參數(shù)（包括加工工藝、腐蝕防護(hù)措施）與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)，并依此數(shù)據(jù)調(diào)整生產(chǎn)操作參數(shù)，其主要目的是控制腐蝕的發(fā)生與發(fā)展，使設(shè)備處于良性運(yùn)行。

過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件根據(jù)過熱器蒸汽入口溶解氫含量、過熱器蒸汽出口溶解氫含量、過熱蒸汽流量的計(jì)算，推算出過熱器管道的氧化皮增長(zhǎng)速率；通過檢修割管數(shù)據(jù)驗(yàn)證和修正分析軟件的計(jì)算。

2.2 過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試

對(duì)過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分進(jìn)行分步研發(fā)后，開始進(jìn)行過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體安裝調(diào)試，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝調(diào)試包括以下試驗(yàn)內(nèi)容：

2.2.1 在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀的運(yùn)行調(diào)試

在機(jī)組汽水集中取樣儀表間安裝二臺(tái)在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀，同時(shí)監(jiān)測(cè)過熱器蒸汽入口溶解氫含量和過熱器蒸汽出口溶解氫含量，經(jīng)過一周的安裝調(diào)試，二臺(tái)在線溶解氫監(jiān)測(cè)儀運(yùn)行正常，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

2.2.2 過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集單元的運(yùn)行調(diào)試

在電廠提供虛擬服務(wù)器上安裝過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集軟件，負(fù)責(zé)從電廠SIS上采集相關(guān)的數(shù)據(jù)；在電廠各部門的密切配合下，所需相關(guān)數(shù)據(jù)鏈接正常，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

2.2.3 過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件的運(yùn)行調(diào)試

在電廠提供虛擬服務(wù)器上安裝過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件，負(fù)責(zé)分析獲得的是設(shè)備腐蝕過程的有關(guān)信息，以及生產(chǎn)操作參數(shù)（包括加工工藝、腐蝕防護(hù)措施）與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)，并依此數(shù)據(jù)調(diào)整生產(chǎn)操作參數(shù)，其主要目的是控制腐蝕的發(fā)生與發(fā)展，使設(shè)備處于良性運(yùn)行。

2.3 過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

本項(xiàng)目研制的過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某電廠600WM機(jī)組過熱器氧化皮的在線監(jiān)測(cè)上，測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)地反映了機(jī)組運(yùn)行期間的腐蝕狀態(tài)。圖1為國(guó)內(nèi)某電廠3號(hào)機(jī)組氧化皮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投運(yùn)初期的歷史曲線；表1為國(guó)內(nèi)某電廠3號(hào)機(jī)組氧化皮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投運(yùn)初期的歷史數(shù)據(jù)。

表1 #3機(jī)氧化皮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投運(yùn)初期運(yùn)行記錄

圖1 #3號(hào)機(jī)氧化皮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投運(yùn)初期的歷史曲線：2021年5月17～5月27日

圖2為國(guó)內(nèi)某電廠3號(hào)機(jī)氧化皮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投運(yùn)后的2021年10月份歷史曲線；表2為國(guó)內(nèi)某電廠3號(hào)機(jī)氧化皮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投運(yùn)后的2021年10月份的歷史數(shù)據(jù)。

表2 #3號(hào)機(jī)系統(tǒng)投運(yùn)后期的運(yùn)行數(shù)據(jù)2021年10月1～10月16日

圖2 #3號(hào)機(jī)系統(tǒng)投運(yùn)后期的歷史曲線：2021年10月1～10月16日

表2（續(xù)）

表1為國(guó)內(nèi)某電廠600MW機(jī)組水汽系統(tǒng)過熱蒸汽與汽水分離器安裝溶解氫監(jiān)測(cè)儀表后運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)，自2021年5月儀表調(diào)試成功投運(yùn)后測(cè)量過熱蒸汽溶解氫（準(zhǔn)確值）最小值1.255μg/L，過熱蒸汽溶解氫（準(zhǔn)確值）最大值2.623μg/L，汽水分離器溶解氫（準(zhǔn)確值）最小值1.504μg/L，汽水分離器溶解氫（準(zhǔn)確值）最大值2.549μg/L，表2為投運(yùn)6個(gè)月的運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)過一段時(shí)間的設(shè)備運(yùn)行，運(yùn)行人員依據(jù)水中溶解氫的數(shù)據(jù)進(jìn)行加氨和加氧操作，過熱蒸汽溶解氫（準(zhǔn)確值）最小值已下降至0.481μg/L，分離器汽溶解氫（準(zhǔn)確值）最小值0.010μg/L，同時(shí)給水加氧量也降低，給水氧與過熱氧的差值也降低到10μg/L左右。以上數(shù)據(jù)表明，過熱器腐蝕得到有效抑制，氧化皮的生成速率大大降低，過熱器得到有效保護(hù)。

#3機(jī)組從2021年5月17日至2021年10月16日的數(shù)據(jù)分析計(jì)算，整個(gè)過熱器6個(gè)月氧化皮累計(jì)增長(zhǎng)了2.8869g/m2，該結(jié)果為鐵離子轉(zhuǎn)換結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本項(xiàng)目開發(fā)過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的微量溶解氫監(jiān)測(cè)儀，可以準(zhǔn)確測(cè)量火力發(fā)電廠水汽系統(tǒng)中微量氫的含量；通過監(jiān)測(cè)水汽系統(tǒng)中的微量溶解氫含量及變化趨勢(shì)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)崃ο到y(tǒng)的腐蝕狀況；

（2）通過過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的微量溶解氫含量及變化趨勢(shì)，可以實(shí)時(shí)指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)控參數(shù)，降低熱力系統(tǒng)腐蝕，減少Fe3O4膜的增長(zhǎng)速率，防止Fe3O4膜的脫落；

（3）過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某600MW機(jī)組電廠的應(yīng)用研究表明，隨著pH和溶解氧的優(yōu)化運(yùn)行，汽水分離器和過熱蒸汽中的溶解氫含量降低與穩(wěn)定，形成的保護(hù)膜逐步完整、致密，過熱器氧化皮增長(zhǎng)速率也逐步降低；

（4）超溫和甲烷會(huì)都會(huì)造成氧化皮脫落，降低蒸汽中的溶解氫含量，減少甲烷氣體的產(chǎn)生，保障機(jī)組安全運(yùn)行；

（5）過熱器氧化皮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為氧化皮增長(zhǎng)速率的在線監(jiān)測(cè)提供了一種新的、有效的手段，通過機(jī)組割管檢查時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。