亚临界机组锅炉氧化皮产生原因及预防措施

华毅等

摘要： 结合亚临界机组锅炉运行、检修的总结，对末级过热器管排的取样进行了金相分析、硬度测定、氧化皮检查，分析了氧化皮的生成及剥落原因式，并提出了控制氧化皮形成和剥落在运行及检修中的预防措施。

Abstract： Combined with the summary of the subcritical boiler operation and maintenance， metallographic analysis， hardness measurement and scale check are done to the sample of final stage superheater tube. The causes for the formation and spalling of the scale are analyzed and measures to control scale in operation and maintenance are put forward.

关键词： 亚临界锅炉；氧化皮；防范措施

Key words： subcritical boiler；scale；prevention measures

中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）28-0039-02

0 引言

随着亚临界300MW燃煤机组的大量投产及长期的运行，锅炉高温受热面蒸汽通道氧化皮问题成为锅炉爆管的主要原因之一，同时也带来了传热恶化、汽轮机固体颗粒侵蚀、汽门卡涩、叶片损坏等诸多问题，成为大容量发电机组长期安全、稳定、经济运行的极大困扰和障碍[1-2]。为了了解电站锅炉氧化皮形成与剥离的原理和规律，提出有效的预防和解决措施，提高机组的可用率和安全经济性。对于发电厂的管理和工程技术人员而言，充分认识氧化皮的生成机制和剥落特性，并从运行、检测和维护、检修等方面采取有效措施，降低氧化皮造成的损害，已经成为提升机组管理水平的当务之急。

1 设备概况

安庆皖江发电有限责任公司一期工程2×300MW机组，锅炉是由上海锅炉厂引进先进技术制造的亚临界变压运行直流锅炉，一次中间再热、自然循环、单炉膛、平衡通风，摆动燃烧四角切圆燃烧方式。水冷壁采用内螺纹垂直上升膜式水冷壁、炉水循环泵启动。炉膛采用封闭布置，全悬吊结构，固态排渣，全钢构架。末级过热器壁管子规格为Ф51×7.5，材质为钢102（12Cr2MoWVTiB），抗氧化温度600℃，最高允许温度584℃，运行控制温度为577℃。截止2013年1月，#1机组累计运行62046小时。

2 氧化皮脱落经过及检测分析

2.1 氧化皮脱落经过 2012年11月12日#1机调停消缺， 11月15日21：00分，#1机启动后带负荷至200MW后，发现末级过热器壁温测点6（固27排）与相邻测点5（固22排）、测点7（固32排）壁温显示异常，与相邻点差30-40℃，随负荷的变化该点壁温显示值高达600-610℃。经分析认为：壁温显示异常的影响因素主要有以下两个方面：①热控测量异常；②该测点对应的管子内部有异物堵塞，流通的蒸汽减少使该测点温度异常升高。根据上述情况，初步判断为管子内部最大可能是在弯头部位存在异物（氧化皮脱落沉积），从而造成管子内部通流面积减少，汽流量减少，造成壁温较高，综合考虑：目前此路环管中汽流量相比其它环管，汽流量偏小，可以控制温度监督运行。

运行三个月后，利用调停期间对过热器弯头部位的氧化皮沉积情况利用射线进行了全面的检查，管排共检验81排566个弯头（共566个弯头，27排进口外1圈因超温直接换管），发现126个弯头有堆积物，均在进口段。堆积物5%的弯头有35个、8%的弯头14个、10%的弯头39个、15%的弯头20个、20%的弯头15个、30%的弯头1个、40%的弯头1个、100%的弯头1个，其中氧化皮最多的有26和27排，26排进口测下部弯头氧化皮沉积达100%（如图1），27排进口测下部弯头氧化皮沉积达40%，上述出口侧的氧化皮很少。对氧化皮沉积达8%的弯头均割管清理处理，达5%及以下的弯头对通流面积影响不大，未进行割管处理。

2.2 检测分析 由末过第26、27排泄漏弯头及出口直管段上部取样进行金相分析、硬度检测及氧化皮检查。分析结果为弯头和直段管段组织中贝氏体形态消失，碳化物聚集在铁素体晶界位置，贝氏体为4-5级球化；泄漏位置硬度偏低，其它部位硬度正常；内壁氧化皮最厚处达0.37mm，内壁氧化严重。

3 氧化皮生成及原因分析

3.1 氧化皮的生成机理 参照热力学中的FeC相图，根据有关试验分析判断R102在570℃（临界点）以下，生成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成，这两种氧化物都比较致密，反过来可以保护金属基体内部避免更进一步的氧化。当温度超过570℃时，600-620℃氧化速度加快，在Fe2O3和Fe3O4的内层会生成FeO，FeO处于最内层，FeO点阵结构简单，是铁原子的缺位固溶体。铁离子易由里向外扩散，氧原子易向内扩散与铁离子结合，因此加剧铁的氧化，又由于FeO致密性差，结构疏松，破坏了整个氧化膜的稳定性，在热应力等因素的作用下，R102的抗氧化能力大大降低。

3.2 氧化皮生成的原因分析 ①1号炉累计运行约6万多小时，2011年大修后曾连续长周期运行一年多，加上高负荷运行等因素，加快了氧化皮生成，经检查测量主要氧化皮厚度在0.19～0.31mm之间。②管子设计选材因素，R102本身高温性能尚可，但抗氧化性能较差，氧化皮比较容易生成和脱落，在当时的设计制造中并没有过多的考虑氧化皮的问题。③过热器受热面设计可能存在偏大，加上煤种掺烧变化较大，存在入炉煤煤质特性不均，致使燃烧温度波动、热负荷变化等问题，在运行时会出现局部受热面高温，受热面温度场不均的问题，局部超温导致氧化皮更容易生成。④炉水中含氧量等因素也能导致氧化皮生成加快。endprint

3.3 氧化皮脱落的原因 氧化皮氧化层剥离有两个主要条件：一是多层氧化层达到一定厚度，一般超过0.1mm，二是温度变化频繁、幅度大、变化率高，不同材质在高温下的线性膨胀系数不同，氧化铁较小，R102较大，由于热胀系数的差异，当管内壁氧化皮达到一定厚度后，在温度发生变化，尤其是温度发生反复或剧烈变化时（如快速冷却），氧化皮很容易从金属基体中剥落。

累计运行6万多小时，大修后曾连续长周期运行一年多，生成的氧化皮较多，在计划检修中为缩短检修工期，机组在停机过程中基本上是快速冷却、壁温波动较大，导致氧化皮从管道内壁剥落，堆积在管道“U”形弯的下弯头处，2012年调停后，末级过热器局部超温，主要是快停检修启动后温度变化产生的热应力导致氧化皮进一步脱落形成，从本次收集的氧化皮看，大部分都是停炉后新脱落的氧化皮，原运行过程中脱落的并不多。

4 预防措施

4.1 运行中采取的措施 ①锅炉滑停中温降速度控制合理，因设备和检修原因，可以通过自然通风冷却，应避免停炉后强制通风冷却。②启动中加强冷、热态蒸汽系统的清洗，并严格控制冷态冲洗和热态冲洗水质指标；使部分氧化皮等杂质被冲洗掉，合理设置汽机旁路有利于锅炉管氧化皮问题的预防和脱落后的处置。③严格控制锅炉升温、升压速度， 汽轮机冲转、并网运行前后温度升降率应控制。为防止炉膛热负荷工况扰动造成受热面超温，运行中应以燃烧调整（如燃烧器角度、风量匹配等）作为汽温主要调节手段，避免用一、二级减温水大开大关来调节汽温，尤其是二级减温水的使用。④机组并网后，控制主、再热汽温在530℃，运行不低于5h。⑤加强炉水给水水质监测，严格控制给水含氧量。⑥加强超温监督管理，尤其加强对锅炉管易超温管段的监视，防止超温爆管，发现异常及时分析并采取相应措施。⑦应注意对测温装置的校验及壁温测点安装工艺控制，确保测量数据准确、可靠。

4.2 检修方面采取的措施 ①加强检查：拍片检查、氧化皮测厚、内窥镜检查、割管检查等。做到逢停七天以上必查，发现管道有变色等异常时应及时进行检查，发现问题及时处理。②减小停运频率，加强设备的正常维护，延长检修周期。

5 结论

目前，国产亚临界300MW锅炉在国内相继发生氧化皮爆管的事件，锅炉一旦发生氧化皮脱落问题将会给后续的处理工作造成很大的难度，因此提前预防氧化皮的生成和脱落是问题关键。对机组的启停方式的控制、减温水投入的控制、炉水含氧量、超温控制等因素需要特别关注，并需要持续的研究和掌控。

参考文献：

[1]陈媛，王旭.超（超）临界锅炉氧化皮脱落原因分析及防治措施[J].华电技术，2013，35（3）：1-4.

[2]曾壁群，陈裕忠，冯庭有.1036MW机组锅炉受热面氧化皮的预控措施研究[J].发电设备，2012，26（4）：292-295.

[3]富君，张宏杰，张承钢，薛贺成.亚临界锅炉水冷壁腐蚀泄漏原因分析及处理[J].内蒙古电力技术，2002（03）.endprint

3.3 氧化皮脱落的原因 氧化皮氧化层剥离有两个主要条件：一是多层氧化层达到一定厚度，一般超过0.1mm，二是温度变化频繁、幅度大、变化率高，不同材质在高温下的线性膨胀系数不同，氧化铁较小，R102较大，由于热胀系数的差异，当管内壁氧化皮达到一定厚度后，在温度发生变化，尤其是温度发生反复或剧烈变化时（如快速冷却），氧化皮很容易从金属基体中剥落。

累计运行6万多小时，大修后曾连续长周期运行一年多，生成的氧化皮较多，在计划检修中为缩短检修工期，机组在停机过程中基本上是快速冷却、壁温波动较大，导致氧化皮从管道内壁剥落，堆积在管道“U”形弯的下弯头处，2012年调停后，末级过热器局部超温，主要是快停检修启动后温度变化产生的热应力导致氧化皮进一步脱落形成，从本次收集的氧化皮看，大部分都是停炉后新脱落的氧化皮，原运行过程中脱落的并不多。

4 预防措施

4.1 运行中采取的措施 ①锅炉滑停中温降速度控制合理，因设备和检修原因，可以通过自然通风冷却，应避免停炉后强制通风冷却。②启动中加强冷、热态蒸汽系统的清洗，并严格控制冷态冲洗和热态冲洗水质指标；使部分氧化皮等杂质被冲洗掉，合理设置汽机旁路有利于锅炉管氧化皮问题的预防和脱落后的处置。③严格控制锅炉升温、升压速度， 汽轮机冲转、并网运行前后温度升降率应控制。为防止炉膛热负荷工况扰动造成受热面超温，运行中应以燃烧调整（如燃烧器角度、风量匹配等）作为汽温主要调节手段，避免用一、二级减温水大开大关来调节汽温，尤其是二级减温水的使用。④机组并网后，控制主、再热汽温在530℃，运行不低于5h。⑤加强炉水给水水质监测，严格控制给水含氧量。⑥加强超温监督管理，尤其加强对锅炉管易超温管段的监视，防止超温爆管，发现异常及时分析并采取相应措施。⑦应注意对测温装置的校验及壁温测点安装工艺控制，确保测量数据准确、可靠。

4.2 检修方面采取的措施 ①加强检查：拍片检查、氧化皮测厚、内窥镜检查、割管检查等。做到逢停七天以上必查，发现管道有变色等异常时应及时进行检查，发现问题及时处理。②减小停运频率，加强设备的正常维护，延长检修周期。

5 结论

目前，国产亚临界300MW锅炉在国内相继发生氧化皮爆管的事件，锅炉一旦发生氧化皮脱落问题将会给后续的处理工作造成很大的难度，因此提前预防氧化皮的生成和脱落是问题关键。对机组的启停方式的控制、减温水投入的控制、炉水含氧量、超温控制等因素需要特别关注，并需要持续的研究和掌控。

参考文献：

[1]陈媛，王旭.超（超）临界锅炉氧化皮脱落原因分析及防治措施[J].华电技术，2013，35（3）：1-4.

[2]曾壁群，陈裕忠，冯庭有.1036MW机组锅炉受热面氧化皮的预控措施研究[J].发电设备，2012，26（4）：292-295.

[3]富君，张宏杰，张承钢，薛贺成.亚临界锅炉水冷壁腐蚀泄漏原因分析及处理[J].内蒙古电力技术，2002（03）.endprint

3.3 氧化皮脱落的原因 氧化皮氧化层剥离有两个主要条件：一是多层氧化层达到一定厚度，一般超过0.1mm，二是温度变化频繁、幅度大、变化率高，不同材质在高温下的线性膨胀系数不同，氧化铁较小，R102较大，由于热胀系数的差异，当管内壁氧化皮达到一定厚度后，在温度发生变化，尤其是温度发生反复或剧烈变化时（如快速冷却），氧化皮很容易从金属基体中剥落。

累计运行6万多小时，大修后曾连续长周期运行一年多，生成的氧化皮较多，在计划检修中为缩短检修工期，机组在停机过程中基本上是快速冷却、壁温波动较大，导致氧化皮从管道内壁剥落，堆积在管道“U”形弯的下弯头处，2012年调停后，末级过热器局部超温，主要是快停检修启动后温度变化产生的热应力导致氧化皮进一步脱落形成，从本次收集的氧化皮看，大部分都是停炉后新脱落的氧化皮，原运行过程中脱落的并不多。

4 预防措施

4.1 运行中采取的措施 ①锅炉滑停中温降速度控制合理，因设备和检修原因，可以通过自然通风冷却，应避免停炉后强制通风冷却。②启动中加强冷、热态蒸汽系统的清洗，并严格控制冷态冲洗和热态冲洗水质指标；使部分氧化皮等杂质被冲洗掉，合理设置汽机旁路有利于锅炉管氧化皮问题的预防和脱落后的处置。③严格控制锅炉升温、升压速度， 汽轮机冲转、并网运行前后温度升降率应控制。为防止炉膛热负荷工况扰动造成受热面超温，运行中应以燃烧调整（如燃烧器角度、风量匹配等）作为汽温主要调节手段，避免用一、二级减温水大开大关来调节汽温，尤其是二级减温水的使用。④机组并网后，控制主、再热汽温在530℃，运行不低于5h。⑤加强炉水给水水质监测，严格控制给水含氧量。⑥加强超温监督管理，尤其加强对锅炉管易超温管段的监视，防止超温爆管，发现异常及时分析并采取相应措施。⑦应注意对测温装置的校验及壁温测点安装工艺控制，确保测量数据准确、可靠。

4.2 检修方面采取的措施 ①加强检查：拍片检查、氧化皮测厚、内窥镜检查、割管检查等。做到逢停七天以上必查，发现管道有变色等异常时应及时进行检查，发现问题及时处理。②减小停运频率，加强设备的正常维护，延长检修周期。

5 结论

目前，国产亚临界300MW锅炉在国内相继发生氧化皮爆管的事件，锅炉一旦发生氧化皮脱落问题将会给后续的处理工作造成很大的难度，因此提前预防氧化皮的生成和脱落是问题关键。对机组的启停方式的控制、减温水投入的控制、炉水含氧量、超温控制等因素需要特别关注，并需要持续的研究和掌控。

参考文献：

[1]陈媛，王旭.超（超）临界锅炉氧化皮脱落原因分析及防治措施[J].华电技术，2013，35（3）：1-4.

[2]曾壁群，陈裕忠，冯庭有.1036MW机组锅炉受热面氧化皮的预控措施研究[J].发电设备，2012，26（4）：292-295.

[3]富君，张宏杰，张承钢，薛贺成.亚临界锅炉水冷壁腐蚀泄漏原因分析及处理[J].内蒙古电力技术，2002（03）.endprint