超临界机组高温受热面氧化皮脱落导致爆管研究分析

毛亮

摘要：在锅炉的使用过程中必须要经受高温的考验，然而在实际的使用过程之中却经常发生高温受热面出现氧化皮脱落导致的爆管现象。臻能热电厂2016年发生了两起在运行中高温受熱面爆管而导致的非计划停用事件。经最终分析爆管原因均为高温受热面管束金属氧化皮脱落、堆积、造成管壁短期超温引起。本文通过对氧化皮的生成机理、影响因素等，分析提出了减缓高温受热面氧化皮生成速度及防范措施，以提高机组运行的安全可靠性。

关键词：超临界机组；奥氏体；氧化皮剥落；防范措施

中图分类号：TM6

文献标识码A

文章编号2095-6363（2017）04-0074-02

1.爆管事件简介

臻能热电厂锅炉为超临界参数变压直流本生炉，型号DGl920/25.4-II6型；一次中间再热、单炉膛、尾部双烟道结构、再热汽温采用烟气挡板调节；固态排渣，全钢构架悬吊结构、平衡通风。燃烧器采用外浓内淡型低NOx旋流式煤粉燃烧器，前、后墙各布置18只，分上、中、下三层布置，共36只；组成前后墙对冲燃烧；点火采用等离子系统。屏式过热器沿烟气方向分前、后2组。每一组沿炉宽方向布置15屏，共30片，每片屏由22根管子绕成；高温对流过热器沿炉宽由32片，每片管屏由20根管子并联绕制而成，屏式过热器及高温过热器受热面金属均为TP347H材质。2016年5月机组运行中屏式过热器出现泄漏。打开人孔检查后发现屏过第3圈出口段管发生爆漏，爆管向上变形并扭转绕第1至20管圈出口段环成一圈。造成部分圈管入口段、出口段吹损。爆漏点位于出口段弯头附近，爆口较大成鱼嘴状边缘粗钝、管壁未见减薄、存在少许平行于管子轴线的裂纹，呈现出明显的过热爆管特征，如图1所示。对出口直管段割管检查发现：管子内壁存在氧化皮，厚度约0.35mm并存在剥落现象。入口直管段也存在鼓包现象，管径由45ram胀粗为59.3mm，如图2所示。

2.氧化皮生成机理及结构危害

2.1氧化皮生成结构

臻能热电厂高温受热面金属材质均为粗晶奥氏体不锈钢TP347H。奥氏体不锈钢特指含有适量镍、铬12%，晶体结构呈面心立方体的铁基合金。奥氏体不锈钢在高温高压下发生氧化反应而形成的氧化产物称为氧化皮，氧化皮经物相分析其成分主要是FeO、Fe₃O₄、Fe₂O₃、Cr₂O₃、MnO·Fe₂O₃、MnO-Cr₂O₃和NiO·Cr₂O₃等氧化物。对氧化皮横截面进行金相分析可以发现TP347H奥氏体不锈钢的氧化层为两层结构，外层氧化皮结构疏松并有空洞形成，保护作用较弱容易脱落；内层致密有较好的保护性。内外层结合不是很紧密，随氧化时间的延长，金属管壁温度在某个温度段温度的升高，内外氧化层生成速度逐渐增加。当氧化皮厚度达到剥离临界厚度并在温度压力大幅度波动时，由于管道母材与氧化皮之间的热膨胀系数差异大，会产生一定的热应力，从而导致氧化皮很从管道本体上剥离。

2.2氧化皮的危害

1）脱落的氧化皮容易集中在u型管受热面的底部弯头处，阻碍了管道内蒸汽的流动，使管道产生鼓包现象或超温爆管而非计划停机。

2）氧化皮的热阻较大，会引起受热面壁温上升加速管道金属蠕变，影响管材寿命。

3）剥落的氧化皮随蒸汽进入汽轮机，会造成机组主汽阀、调阀、叶片、喷嘴等部件的损伤。

4）剥落的氧化皮会对凝结水水质造成污染，使机组蒸汽品质下降。

3.事件原因分析

3.1对爆管管道进行材质分析

爆管管材作光谱半定量分析如表1所示。

通过检测认为爆管材质均符合设计要求。由于刚开机不久发生了此次爆漏且位置位于管屏下部弯头附近，呈现出典型的短时过热爆管特征。故经分析认为：氧化皮等异物阻塞造成管子内蒸汽流量降低，引起管壁超温是此次爆管的主要原因。

3.2事件暴露出的问题

本机组锅炉屏式过热器出口段采用的材料为不锈钢TP347H，该钢种属于粗晶粒奥氏体耐热钢，在开、停机及运行工况变化等情况下，蒸汽侧会产生氧化层剥落，同时超临界机组受热面管内径普遍较小，异物容易在弯头部位堆积、堵塞造成过热爆管。

4.整改及防范措施

4.1高温过热器更换管材选择

本厂采用的粗晶奥氏体耐热钢材在同类型机组中普遍存在氧化皮脱落问题，后期大修期间可视高温受热面爆管情况决定是否更换管材，如需更换则建议选用适用与超超临界机组的细晶奥氏体TP347HFG钢材或者对管道进行喷丸、镀铬处理以提高抗氧化性。

4.2开停机时严格控制温度变化

1）严格控制锅炉升温升压速度，在升压开始阶段，到满足冲转参数前，饱和温度上升速率不超过1.0°C/min。

2）机组启动期间严格进行冷、热态清洗，冷态冲洗达到下列指标：电导率<1us/cm、Fe³⁺<100ug/L、siO₂，<30ug/L、pH值9.3～9.5；热态冲洗达到下列指标：分离器储水罐排水Fe³⁺≤50p g/L。

3）严格控制汽温大幅波动及超温运行：主汽温调节以控制水煤比为主，一、二级减温水为辅助，外加提前修正中间点修水来控制；再热汽温调节主要是通过布置在低温再热器和省煤器后的平行烟气挡板来实现，正常情况下是通过烟气调节挡板来调节再热器汽温，紧急事故工况、扰动工况或其他非稳定工况可采用事故喷水调节，另外，在低负荷时还可以适当增大炉膛进风量，作为调节的辅助手段。

4）停炉后要严格控制炉膛各蒸发受热面的冷却速度，除紧急事故抢修外，禁止对锅炉进行强制冷却。停炉后要对锅炉进行热炉放水，防止u型管道底部氧化皮被凝结水浸泡而聚集成核状堵死流通截面。

4.3开机过程中采用汽机旁路吹扫部分氧化皮

臻能热电厂汽机旁路采用高压和低压两级串联的旁路系统，其中高压旁路容量为40%BMCR，在每次开机时，利用该旁路系统将过热器、再热器管内的氧化皮冲到凝汽器中，减少爆管和汽轮机叶片的颗粒侵蚀。但考虑到实际操作过程中蒸汽吹扫系数偏低，可以通过降低吹扫蒸汽压力提高蒸汽温度及比容来增加吹扫蒸汽动量或者增加吹扫次数拟补达到较好效果。吹扫蒸汽参数选择参照调试阶段吹管参数，开始吹扫蒸汽压力稳定在5.OMPa～6.5MPa之间，吹扫结束压力3.OMPa～4.0MPa。吹扫效果可通过化验凝结水含铁量判断。如果有氧化皮剥落物进入凝汽器，必然会使凝结水的含铁量增加。经多次吹扫后凝结水的含铁量恢复正常值，则说明吹扫可以完成。吹扫过程中需及时联系化学人员加强对凝结水水质化验。

4.4开停机后可采取以下处理方案

1）在运行中加强对温度偏高管段的监控，利用停机机会尽可能的对该管道进行透视/磁性或割管内窥检测，尽早发现异物，避免管子堵塞。

2）如发生爆管应对爆口做金相检查，检查组织变化，爆口管段做氧化皮堆积检查；对爆口周围管束进行逐一排查。

3）大、小修或停机3天以上对各过热器进口集箱进行检查，排查堵塞物。如进口集箱无法排查到异物则扩大至出口集箱。

4）对炉内各受热面进行宏观检查是否有胀粗变形情况。

5）建议热工人员创造条件在屏式过热器管爆口段增加温度测点。

5.结论

对于超临界机组高温受热面氧化现象和氧化皮的产生问题是普遍及客观存在的。氧化皮的生成只能通过各种预防措施去减缓而不可以避免，所以如何防止氧化皮堆积及减少对机组伤害是解决此问题的核心。臻能热电厂#7机组爆管问题最终经公司领导召集锅炉专业技术人员，邀请广东电科院、广东电研中心专家等召开专题会议分析原因、讨论处理方案并采取了可行性措施后取得了较大成效，到目前为止尚未再次发生类似事故。