超临界机组TP347H受热管内氧化皮堆积爆管分析与预防

柯道斌

摘 要：随着大容量超临界机组运行时间增加，TP347H不锈钢受热面管内氧化皮剥落造成管道堵塞、爆管的问题组较为常见。为此，茂名臻能热电有限公司对本厂#7炉600MW超临界机组锅炉受热面氧化皮剥落造成管道堵塞爆管的问题非常重视。在检测中发现#7炉高温受热面存在大面积氧化皮脱落堵塞现象，尤其屏式过热器、高温过热器和高温再热器都有个别弯头完全堵满，严重威胁锅炉的安全运行。作者作为一位电厂基层生产人员，从运行及检修的角度提出一些浅见。

关键词：氧化皮；堆积；爆管；预防

1 基本情况

茂名臻能热电有限公司#7锅炉为东方锅炉厂设计制造的超临界参数变压直流炉，型号为DG1920/25.4-Ⅱ2型，一次再热、单炉膛、尾部双烟道结构、采用烟气挡板调节再热汽温，固态排渣，全钢构架、全悬吊结构，平衡通风、露天布置，前后墙低NOx轴向旋流燃烧器对冲燃烧。截至到2017年1月，累计运行时间约为13000小时。屏式过热器布置在炉膛上部，沿烟气方向分前、后两组。每一组沿炉宽反向布置15屏，共30屏，每屏由22根管子组成。高温过热器位于折焰角上部，沿炉宽方向布置32屏，每屏由20根管子组成。高温再热器位于水平烟道内，共64屏，每屏由13根管子组成。上述管屏入口管段材质均为SA-213T91，出口段材质均为SA-213TP347H。2016年5月4日，#7炉炉内屏式过热器有泄漏，检查发现后屏东往西数第四排北往南数第三根管子中上部爆漏。

2016年8月9日#7炉高温过热器西往东数第十屏北往南数第十根管爆漏，爆口位置大约在：入口侧离下部弯头1600mm处，焊口上100mm处，以上两起事故爆管原因均为：管内氧化皮脱落，造成堵塞，引起过热爆管。为此，茂名臻能热电有限公司对本厂#7炉600MW超临界机组锅炉受热面氧化皮剥落造成管道堵塞爆管的问题非常重视。在检测中发现#7炉高温受热面存在大面积氧化皮脱落堵塞现象，尤其屏式过热器、高温过热器和高温再热器都有个别弯头完全堵满，严重威胁锅炉的安全运行。

2 氧化皮形成机理

受热管内金属表面的氧化膜并非由水汽中的溶解氧和铁反应形成，而是由水汽本身的氧分子氧化内接触面的铁元素所形成。高温下的水蒸气氧化性很强，氧化受热管内壁是不可避免的。蒸汽中的氧来自H2O，在高温环境下，水分解为H2和O2，在稳定的压力和温度下达到动态平衡，氧化初期，受热管内表面与水蒸气接触，基体微表面存在的晶界或晶粒中Cr、Ni元素向外迁移，与Fe基体共同与水蒸气中的H2或O2反应，生产（CrFe）2O4、Ni0等非均质层，氧化皮/水蒸气界面存在氧過剩，继续反应生产Fe3O4，形成中间层的柱状氧化皮，由于柱状氧化皮存在氧迁移通道，使内层/中间层氧化皮界面的氧浓度/氧分压增加，内层氧化物在界面处解离成铁不足型氧化物，氧以分子或离子形态通过间隙直达金属基体界面，研究表明，当水蒸气在570℃以上时，反应速度加快，不锈钢氧化层会迅速加厚。

3 影响氧化皮生成速度及脱落的主要因素

（1）锅炉运行中受热面管道壁温，同一种管材，管壁温度越高，氧化速度越快，锅炉加减负荷运行过程中，煤量、给水、蒸汽流量等出现波动，容易造成屏过、高过、高再受热面超温；启动过程中，负荷较低，部分受热管内蒸汽流量不足，引起超温过热，以上工况均会加速管内壁金属氧化皮的生成，氧化皮生成后并不马上脱落，而是附着在内壁上。

（2）受热面管材抗氧化性能，抗氧化性能越差，氧化速度越快，其中合金内Cr含量影响最大，Cr含量越高，其氧化速度越慢，各种常见管材氧化皮生长速度顺序：T22、T91>TP347H>super 304>HR3c。

（3）氧化皮积累越厚越容易脱落，不同管材平均脱落厚度如表1所示。

（4）受热面管壁温度变化频率、幅度过大，造成金属材料与氧化膜层间应力超过临界值。与氧化皮相比，线膨胀系数相差越大的金属材料，氧化皮就越易剥落，TP347H管为奥氏体不锈钢管，其线膨胀系数α1为（1.7～1.9）×10-5K-1，而氧化物的线膨胀系数α1为9.1×10-6K-1，线膨胀系数相差较大。锅炉启停过程中，温升温降速度控制不当，运行中大量使用减温水，金属与氧化物膨胀收缩程度相差较大，会引起氧化皮脱落，因此TP347H管内易发生氧化皮脱落堆积，引起超温爆管事故。

4 氧化皮的主要危害

（1）管内氧化皮脱落堆积，引起超温爆管事故。若受热管内脱落的氧化皮的量超过管内流动的高温蒸气携带能力，氧化皮会堆积在U型受热面管道弯头、出口管段、出口联箱的节流孔部位。检测发现，管内氧化皮大部分堆积在U型受热面管道弯头，增大在运行中容易引起管内蒸气流量不足，造成局部管段过热，引起超温爆管。

（2）如果氧化皮进入到主蒸汽管道，容易引起主汽门、调门卡涩，造成主汽门、调门关闭时无法关到位，严重威胁到机组的安全停运。进入到汽轮机内部的氧化皮，侵蚀汽轮机喷嘴、叶轮叶片等关键部件，进入凝汽器的氧化皮，会污染凝结水品质。

（3）氧化皮容易堵塞细小疏水管道，小口径阀门，带来大量检修处理工作，加重一线生产人员的工作负担，更会威胁到系统的正常运行。

5 治理的思路及防范措施

受热面管内壁氧化皮脱落无规律性且脱落过程是一个自然过程，需长期预防和控制，根据#7机组防治经验及检测情况，建议在以下方面进行预防和控制：

（1）控制锅炉启动过程中温度、压力变化率，锅炉启动初期屏式过热器、高温过热器、高温再热器受热管内无蒸汽流通，处于干烧状态，升温、升压速率过快更容易引起氧化皮脱落堆积，因此要开机过程严格控制升温度速率。2016年我厂5月屏式过热器、8月高温过热器由于氧化皮堵塞爆管引起高度重视，降低启动过程温度变化率，升温率不超过1.5℃/min，有效减缓了管内壁氧化皮的脱落过程，至今多次开炉均未发生爆管事故。

（2）锅炉启动中加强冷、热态冲洗，严格控制冷态冲洗和热态冲洗水质指标。要充分利用旁路系统进行蒸汽系统的清洗，保证管内氧化皮等杂质被冲洗干净，主要注意控制水质中铁和二氧化硅的含量。

（3）停炉过程中或者发生紧急情况，锅炉事故处理急停，防止造成的温度急剧变化，停炉后通过自然通风冷却，避免停炉后72h内强制通风冷却，受热管壁温低于250℃再开风机通风冷却，防止炉内过早冷却引起氧化皮脱落。若事故跳机原因查明处理后，尽快点火、升温升压、并网、带负荷，防止锅炉受热面温度下降幅度过大。

（4）锅炉运行中严禁受热面管壁温度超温。超温是运行中生成氧化皮的主要因素，运行值班员在线监测运行过程中管壁温度变化情况，尽量减少减温水的使用、合理安排启停磨顺序、风烟挡板，及时调整防止超温，可以有效减缓管材劣化，减少氧化皮生成的量。

（5）采用逢停必检，逢堵必处理的原则进行管理，及时全面检测高温过热器、屏式过热器、高温再热器受热管道弯头氧化皮堆积情况，根据检测结果及时进行割管清理、冲洗、吹扫，防止氧化皮堵塞爆管的发生，避免巨大的经济损失。