超临界机组电站锅炉氧化皮脱落的分析与防治

    摘 要：炉管氧化皮脱落在超临界机组中是一个比较普遍的问题。近年来因氧化皮脱落堵塞已造成多起锅炉爆管事故。因此对氧化皮的分析和研究具有非常重要的意义。为控制此类事故发生，减少火电厂经济损失，本文主要对机组运行中炉管氧化皮脱落的原因分析，并在此基础上提出针对性的预防和治理措施。

    关键词：炉管氧化皮脱落；超临界；防治措施

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

    1 氧化皮问题的研究背景和意义

    近年来，随着超临界机组已成为我国火电市场的主力机型，炉管氧化皮脱落已成为火电机组越来越严重的问题，在高温高压环境中，锅炉蒸汽管道金属和高温蒸气发生氧化作用，形成的氧化皮随着机组参数变化脱落并堆积在弯管处，就会导致弯管爆破事故。分析锅炉氧化皮脱落的原因并得出有效的防治措施，对超临界机组锅炉的安全运行至关重要。

    2 氧化皮的危害

    由于金属材料在高温下可直接和水汽本身的结合氧发生高温氧化反应，金属高温氧化的结果是在金属表面产生一定厚度的氧化皮，锅炉过热器、再热器和主蒸汽管道等部位高温氧化皮若发生剥落，会产生以下问题：（1）氧化皮在管屏弯头下部易发生堵塞（图2），造成高温受热面金属管壁超温，严重时导致机组被迫停运。

    （2）氧化皮大量脱落造成炉管壁厚变薄、强度降低最终引起爆管。

    （3）氧化皮是坚硬的固体颗粒，从锅炉高温受热面以及高温蒸汽管道脱落下来的氧化皮，会对汽轮机高/中压缸的动叶、喷嘴造成严重冲蚀，给主汽阀、旁路阀阀座和阀芯造成严重损伤（图3），叶片损伤严重时必须更换[1]。

    （4）造成主汽阀和调节阀卡涩，阀门操作迟滞，改变了阀门的调节特性。

    （5）为了减缓氧化皮脱落，被迫降参数运行，牺牲了机组的经济性。

    由此可见，氧化皮脱落会导致机组运行的安全性、可靠性及经济性均大幅降低，给超临界机组锅炉的长期稳定运行带来很大安全隐患。

    3 氧化皮形成剥落分析

    3.1 氧化皮的形成

    氧化皮是金属与高温蒸汽发生氧化的产物。当蒸汽温度低于570℃时候，氧化产物是由致密的，Fe2O3和Fe3O4组成，从而避免钢材其进一步氧化；当蒸汽温度高于570℃时，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO层组成（FeO在最内层），FeO为主要组成物，因FeO结构较为疏松，造成氧化膜不够稳定[2]（图4）。

    3.2 氧化皮生成的影响因素

    氧化皮形成与温度、时间、氧含量、蒸汽压力和流速、钢材成分、氧化皮成分等有关。一般认为：温度愈高、时间越长、高温蒸汽流速越快氧化皮生成越快[3]。由图5可见，当蒸汽管道在1075K（580℃）下运行15万小时后金属氧化皮厚度将达到30mils（0.762mm），而当管道在1150K（620℃）下运行3万小时后氧化皮厚度就可达到30mils（0.762mm）。由此可见，金属超温运行大大促进了氧化皮的生成。由图6可见，在同样的运行温度下，氧化时间越长，氧化皮生成量越多；同样的运行时间下，运行温度越高，曲线越陡，氧化皮生成量也越多。

    钢中加人Cr、AI、Si等元素，可以在炉管表面形成一层坚固致密的氧化膜，使钢材的抗氧化性提高。实践证明在600～700℃条件下，Cr含量在25%以上的钢，氧化层的生成速度非常缓慢[4]。

    根据大量研究成果，管道表面的氧化皮不是由高温蒸汽中的溶解氧和铁氧化生成，而是由蒸汽分子中的原子氧和铁反应生成。当蒸汽温度超过570℃时，水分子会分解为原子结构，分解而来的氧原子会和管道的铁原子发生氧化反应，造成氧化皮的产生。570℃是形成疏松的FeO的温度临界点，应作为火力发电厂锅炉运行的重要参考数据。

    3.3 氧化皮剥落的影响因素

    根据炉管氧化皮的生成和脱落机理，氧化皮剥落的影响因素主要有以下几个方面：

    （1）钢材成分。超临界机组锅炉常用的钢材主要有T23、T91、TP347和Super304H等，这些钢材属于合金钢，钢材组分不同，元素含量各异，抗氧化能力也不同。

    （2）管壁温度。管壁温度对金属表面氧化皮的生成有着重要影响。当锅炉蒸汽管道长期在超过自身抗氧化能力的温度下运行时，管道金属和高温蒸汽的氧化反应就会加快，氧化皮的生成量就会增多，氧化皮厚度超过一定厚度，就会引起氧化皮的脱落。

    （3）机组启停时的热应力。当锅炉启动尤其是冷态启动时，由于正常的水循环未能建立，过热器和再热器中没有蒸汽流过，处于干烧状态，如炉膛出口温度控制不好，很可能造成过热器和再热器管道超温运行，加快金属氧化速度。

    4 炉管氧化皮的防治措施

    根据氧化皮的生成机理，氧化皮的生成属于自然现象，不能根治，但可以控制。从氧化皮脱落的影响因素看，可以从运行和检修两方面提出以下防止锅炉氧化皮脱落的措施。

    4.1 检修中的防治措施

    （1）机组停运时加强对氧化皮的检查。当机组停机后，根据检修计划对高温过热器、高温再热器的弯头割管检查并拍片，有条件的可以抽取一些弯头部位进行氧化皮的测厚，及时掌握管内金属氧化皮的堆积状况，对氧化皮堆积过量的管子进行更换。加强氧化皮的检查及风险评估工作，避免发生爆管事故。

    （2）提高材料抗氧化性。不同材料的抗氧化能力是不同，应用较高抗氧化能力的钢材能有效减少氧化皮的产生。比如，T23钢材抗氧化能力较弱，可以通过更换具有更高抗氧化能力的T91钢材。但是这种做法代价较高，可以考虑选择个别超温或者氧化皮脱落嚴重的部位进行更换，来减弱氧化皮对机组运行的影响。

    （3）对受热面采用镀铬处理。对炉管表面镀铬，可使炉管表面产生薄的保护性氧化皮，这种氧化皮致密且附着力强，不易脱落，它通过降低Fe2+浓度，使金属氧化物的生成速度减缓2/3。但是采用表面镀铬法处理费用高，且存在环境污染，限制了这一方法的推广和应用。

    （4）进行化学清洗。对炉管采用化学清洗去除堆积氧化皮是一种行之有效的办法。当管内氧化皮堆积较多，氧化皮平均厚度在0.3mm以上时应进行化学清洗，清洗溶液一般选择羚基乙酸、乙酸、EDTA，清洗时长一般为12小时，清洗次数一般为2-3次。

    化学清洗时要使管道内的氧化皮清除干净，不能在弯头和管道底部有残留物堆积。必要时考虑在化学清洗后吹管，使杂物吹除干净。

    4.2 运行中的防治措施

    （1）控制管壁温度，避免超温。机组运行中，要加强对末级过热器、末级再热器的壁温监视，防止炉管超温运行，同时加强燃烧调整，使末级过热器、末级再热器壁温偏差在规定范围内，如发现壁温偏差较大，因分析原因，采取对策。

    （2）严格控制机组启停期间的温升（降）率。锅炉冷态启动时，要按照锅炉运行规程中的启动曲线进行升温升压；当锅炉热态启动时，要严格控制高温受热面壁面温度，避免管壁温度快速冷却产生较大热应力；锅炉停运时，同样要按照运行规程中的停运曲线降温降压。

    5 结语

    随着国内火电技术向大容量、高参数方向发展以及一些火电机组长时间运行，炉管氧化皮脱落问题在国内超临界机组已越来越多的暴露出来。对氧化皮进行研究和防治，已经显得越来越重要。本文通过分析氧化皮的成因和脱落机理，并在此基础上提出氧化皮脱落的防治措施，可提高相关单位对氧化皮问题的认识和理解，为火力发电厂机组运行提供借鉴和参考。

    参考文献：

    [1]朱宝田.固体颗粒对汽轮机通流部分的冲蚀与防止对策[J].火电厂蒸汽通流部件高温氧化皮的影响与防治对策研讨会，2002（10）：119-

    123.

    [2]郑世津.锅炉蒸汽侧氧化皮剥落的治理[J].华东电力，2003（12）：

    66-67.

    [3]赵彦芬.锅炉高温部件的热腐蚀[J].热力发电，1994（02）：15-18.

    [4]高丽华.汽轮机部件固体颗粒侵蚀的原因分析与防止对策[J].火电厂蒸汽通流部件高温氧化皮的影响与防治对策研讨会，2002（10）：125-128.

    作者簡介：王具宝（1983-），男，宁夏银川人，研究生，工程师，主要从事锅炉、压力容器、压力管道检验工作。