亚临界锅炉氧化皮的生成机理及防治措施

徐焱　李志明

摘 要：长期以来，氧化皮生成和脱落问题一直是引起锅炉爆管的一个重要因素，因氧化皮形成，脱落，再形成，再脱落以致受热面管子减薄。同时脱落的氧化皮在管道内沉积使管道堵塞，使管内冷却工质流通不畅，管子得不到冷却烧损导致爆管。氧化皮的生产和脱落有材料方面的原因，有水质和蒸汽品质方面的原因，同时超温也是形成氧化皮的重要因素之一，对于一台已经成型的锅炉来说，如何减少超温和控制温度变化率是控制氧化皮生产和脱落的主要方法。

关键词：氧化皮；机理；剥落

1 高温氧化皮剥落现象

工作汽温在450℃以上的蒸汽管道，其内壁会生成坚硬的Fe3O4垢层。随着运行时间的增加，垢层变厚。当垢层增厚到一定程度，遇到工况变化快，温度改变剧烈时，这些垢层就容易从管壁剥离。垢层剥离后的管壁会重新开始新的氧化垢生成、长厚过程。含Cr合金钢管材所生成的这种氧化铁垢，会有厚度几乎相等的内外二层。外层是完全不含Cr的纯Fe3O4（含少量a态）层；内层是含Cr高于基体的富铬层。温度是氧化皮生成的一个关键因素。如工作温度在480℃～545℃的高温过热器或高温再热器，其同一根U型管的出口端的氧化皮要比进口端严重得多。高温氧化剥皮还发生在过热蒸汽和再热蒸汽的主管道、汽轮机的高压缸和中压缸的前二级叶片。

2 氧化皮形成机理

由于铁的氧化物种类繁多，并且在不同的条件下生成不同的氧化物，关于受热面高温氧化皮的成因和剥落机理主要是以下几方面：金属的氧化是通过氧离子的扩散来进行的。假如生成的氧化膜是牢固的，在生成氧化膜后，氧化过程就会减弱，金属就得到了保护。假如生成的氧化膜不牢固，生成的氧化膜不断剥落，氧化过程就会继续下去；受热面氧化现象首先是铁元素的氧化。在570℃以下，生成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4。组成Fe2O3和Fe3O4都比较致密，因而可以保护钢材以免进一步氧化。当超过570℃时，氧化膜由Fe3O4、Fe2O3、FeO三层组成（FeO在最内层），其厚度比约为1：10：100，即氧化皮主要是由FeO组成，FeO是不致密的，因此破坏了整个氧化膜的稳定性，氧化过程得以继续下去。

氧化皮剥离有两个主要条件：一是垢层达到一定厚度。二是温度变化幅度大、速度快、频度大。有关过热器再热器管材钢的热胀系数一般在16×10-6～20×10-6/℃，而Fe3O4和FeO·CrO。则分别为9.1×10-6/℃和5.6×10-6/℃。由于热胀系数的差异，当垢层达到一定厚度后，在温度发生变化，尤其是发生反复或剧烈的变化时，氧化皮很容易从金属本体剥离。

管内氧化皮生成和剥落速度与温度、时间、氧气含量、蒸汽压力、流速、钢材成份、氧化皮成份等因素有关。温度愈高，时间愈长，介质中氧的分压愈高，流速愈快，管内氧化皮生成和剥落速度愈快。

3 氧化皮剥落的危害

锅炉的高温过热器和再热器多为立式布置。每级过热器由数百根竖立的U形管并列组成。内壁氧化皮的存在，不仅导致受热面金属壁温升高，从U形管垂直管段剥离下来的氧化皮垢层，一部分被高速流动的蒸汽带出过热器，另有一些会落到U形管底部弯头处。由于底部弯头处氧化皮剥离物的堆积，使得管内通流截面减小，流动阻力增加。这导致了管内的蒸汽通过量减少，使管壁金属温度升高。当堆积物数量较多时，管壁大幅超温，引起爆管；从高温过热器和再热器管剥离的氧化皮，很多会被有着极高流速的蒸汽携带出过热器和再热器。至调门或再经喷嘴后，获得更大的速度，这些被携带的氧化皮剥离物颗粒具有极大的动能，它们不断地撞击汽轮机叶片，使得汽轮机高压缸和中压缸的前几级叶片受到很大的损伤。损伤严重时，前二级叶片会变小、缺损，降低机组出力；被高速蒸汽带出过热器和再热器的氧化皮剥离物颗粒，在汽轮机内完成对叶片的撞击和冲蚀以后，颗粒本身会破碎、变小、变细，并增加了一些叶片本身被冲蚀的产物，进入凝结水系统。这些细小氧化铁颗粒进入系统后会在锅炉水冷壁管、靠近省煤器端的高加水侧加热管沉积，导致水汽系统二次污染。

4 控制氧化皮生成、脱落和运行措施及调整建议

锅炉金属管在高温水蒸汽环境下产生氧化皮属于正常现象。由于管子金属材料的线膨胀系数比氧化皮膨胀系数大得多，所以当过热器或再热器在启动线或停炉时，会产生很大的胀差而促使氧化皮脱落。粗晶奥氏体不锈钢管（12Cr2MoWVTiB）过热器，设计出口温度为540℃左右，锅炉可能会在运行3万时后首次出现氧化皮脱落。氧化皮的治理是一项繁复的工作，即使汽温波动小，超温控制良好，随着运行时间的积累，当氧化皮的厚度达到一定值时，它一样会脱落，我们要做的是尽量不要让它在运行中脱落，减小在运行中的脱落量，从而不致于造成氧化皮堵管、超温爆管。

在机组启停过程中，管子的温度变化幅度最大，管内氧化皮最容易剥落。特别是紧急停炉时，由于炉温度急冷，壁温骤降，很容易造成氧化皮脱落。加之在启动初期蒸汽流量较小，不能迅速地将剥落的氧化皮带走，等大流量时已经存管径较小的弯头处形成堵塞，就会产生超温。另外，启动过程中喷水减温导致管壁金属温度剧烈变化也是导致氧化皮剥落原因之一，所以氧化皮堵塞造成的爆管多发生在启动后短时间内，建议采取以下防范措施来进行氧化皮的控制：

4.1 机组启动阶段

（1）机组启动过程中的按规程严格把关，确保启动各阶段汽水品质合格，并适当提高锅炉上水温度，锅炉进水温度由此前的40-60度提高到90-104℃。（2）冲转至50MW负荷过程中禁止使用减温水，防止汽温难以控制造成汽机水冲击，并网后迅速增加给煤量，同时保持压力不变升负荷，用调门来控制各部汽温的升速率，待负荷高于50-60MW时，逐渐投入减温水调节。（3）机组启动暖管过程中要保证暖管的压力和蒸汽流量，适当延长暖管时间，目的是对过热器、再热器、主再热蒸汽管道进行有效的吹扫。（4）锅炉启动阶段的主要控制参数：最大炉水饱和温升≯1.5℃/min，最大汽温升≯1.5℃/min，后屏过热器出口温度及屏再、末再、末过壁温温升≯5℃/min，后屏过热器出口温度≯540℃，重点注意控制煤量和炉膛出口烟温的变化，保持各蒸汽受热面的壁温升在规定范围内。（5）锅炉启动阶段应控制A/B侧过热器出口温度的偏差，如果偏差大于5℃，应采取调整辅助风档板开度（A侧高时适当开大反切辅助风门，关小正切辅助风门，B侧高时相反）将偏差值控制在10℃之内，从而防止局部过热。（6）氧化皮剥落和温度变化有直接的关系，因此控制机组启停次数、频度，减缓升温和降温速率。锅炉启停中受热面温度变化按照规程规定的参数升降，抑制氧化皮的剥落。特别是机组启动和事故状态下，由于再热器存在蒸汽中断的情况，此时要对再热器系统进行保护，通过旁路系统向再热器供汽，减少再热器干烧的时间。

4.2 机组停运阶段

（1）停机时，如果没有特殊情况，尽量不要将汽温滑得过低，一般不要低于380度，减小金属和氧化皮之间的热应力，减少在滑停过程中氧化皮的脱落量。（2）做好停炉保护。选用恰当的停运保养方法，如热炉放水，受热面负压抽干等，它可以有效地减轻过热器管下部弯头的停运腐蚀。（3）没有特殊要求，尽量避免锅炉停运后强冷，强冷时对于风量必须严格按照规程执行。（4）对高温过热器和再热器，在每次机组大修和有条件的小修时割管，测取垢量，分析氧化皮的严重程度和生成趋势。同时，对高温过热器、高温再热器底部弯头拍片检查，及时发现有沉积物的弯头，进行更换，可以较有效地避免运行后爆管。

5 结束语

综上所述，氧化皮的形成和剥落有其不可避免的原因，但还有很多方法减缓和控制其生产的数量和速度。在启停机阶段，只要严格按照升温升压曲线去执行升温升压程序，控制各项参数，对氧化皮的形成和剥落还是有很大的延缓作用的。

参考文献

[1]叶江明.电厂锅炉原理及设备[M].中国电力出版社.

[2]谢亚清，王文波.电厂金属材料[M].中国电力出版社.