超超临界机组锅炉氧化皮问题及防治

谢燕雄+刘东月

摘 要：随着近年发电机组容量的增加，不断引入超超临界机组，与此同时，新材料也开始应用，对提高机组热效率意义重大。但从实际来看，锅炉运行中易出现金属氧化皮现象，造成爆管。因此，需加大锅炉氧化皮问题的研究力度，并制定有效措施防治。

关键词：超超临界机组；氧化皮；问题；防治

中图分类号：TK299.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）17-0124-02

近年来，锅炉四管泄漏事故，一直都是影响发电机组正常运行的危险因素。数据调查显示，锅炉四管泄漏停运事故占机组非计划停用事故的38.0%，少发电量占全部事故的50.0%，且随着机组容量的增加、运行时间的延长，从某种程度影响着发电机组的运行。机组容量越大，温度越高，就越容易出现氧化皮现象，造成锅炉爆管泄漏。下面，本文将从以下几点综述超超临界机组锅炉氧化皮问题及防治措施。

1 氧化皮的危害

导致管子传热减弱，壁温升高使氧化加剧；氧化皮层状脱落，导致管壁变薄，强度下降；脱落的氧化皮堵塞管道，易导致爆管；对汽轮机通流部分造成颗粒度冲蚀，主再热汽门易造成卡涩，关不不严，引发汽轮机超速事故。

2 超超临界机组锅炉氧化皮的产生

（1）氧化皮生成分布图，如图1所示。因铁的氧化物种类相对较多，且能在不同条件下产生氧化物，使高温、管材中的水蒸汽、铁发生反应：Fe+H2O→ +H2↑

（2）实际运行中，锅炉投入运行初期所产生的蒸汽中有着大量氢，但随着锅炉运行时间的延长，将逐渐降低氢含量，该现象表明金属表面已形成氧化皮。可以说，金属氧化属于自然现象，开始时的氧化速度快，一旦形成氧化皮，将减缓氧化过程。实践证实，当Fe3O4温度高于450℃时，因各种因素作用，无法形成相对密集的保护膜，导致铁、水蒸汽不能发硬；目前机组主汽温度提高至600℃、再热汽温达620℃，根据研究500℃-700℃氧化性达到最大，当金属壁温>570℃时，Fe、Cr离子外渗，加剧氧化，会生成FeO，加快反应速度；而FeO晶格缺陷多，结构疏松，一旦氧化皮厚度超过一定程度，将造成氧化皮脱落。

（3）影响氧化皮生成速度因素：1）温度越高，氧化皮生成速度越快。2）材料的抗氧化性好，氧化皮生成速度减慢。氧化皮生成曲线，如图2所示。

3 锅炉氧化皮的防治措施

3.1 合理选材，优化调整，减缓氧化皮生成

（1）大容量高参数机组选用高Cr含量系列的奥氏体钢，18%Cr系列常用牌号有TP304、SUPER304、TP347H种；20%-25%系列常用牌号主要是HR3C；另外高Cr高Ni材料主要为SAE25型；（2）选用金属材料晶粒越细，抗氧化性能越好；（3）表面处理技术，目前针对汽温600℃、620℃高参数锅炉中使用SUPER304、HR3C钢进行喷丸处理，许用温度可以提高至670℃、700℃。（4）严控超温，减缓氧化皮的生成，锅炉实际运行中，需密切监测锅炉蒸汽温度的变化情况，并适当调整燃烧，首先清楚锅炉两侧的温度差，禁止锅炉在超温状态下运行，通过燃烧的调整，保证锅炉运行时蒸汽温度处于可控范围内，一般而言，温度差不能超过5度、10度。同时，还需根据温度高点来把控蒸汽温；在任何情况下，尤其是低负荷状态下，需保证水冷壁有着质量足够的流动速度，这样能有效预防传热恶化引发的类膜态沸腾现象。（5）加氧运行。实践证实，超超临界机组加氧运行中，會在金属管道表面形成不易脱落的氧化膜，以减缓氧化皮的脱落。一般来讲，加氧运行是否成功，和这几个方面相关：第一方面，加氧运行前需彻底清除管道内壁腐蚀物、氧化皮；第二方面，强化锅炉水质的把控。（6）机组投入运行前，需进行锅炉内壁的清除处理，比如：使用络酸盐溶液在300度的条件下循环2天，这样能在锅炉内壁表面形成一层强有力的保护膜。该氧化膜能预防氧气扩散，降低金属的氧化速度。并且，还能稳定其化学性质，防止氧化皮剥落。

3.2 加强受热面检查、管理

（1）超温是导致金属出现氧化的主要因素，而锅炉超温又是热偏差引起的，发生原因和锅炉不均衡燃烧、空气流动异常、受热面结焦、氧化层厚度基础不均匀等相关。针对这种情况，可增加锅炉壁温度测量点，针对易超温的管段，也可增加壁温点，保证其全面、合理的布置，以清晰、直观的反映各管段壁温情况。在屏式过热器中至少每隔2-3屏应设一测点，对流受热面每隔一米左右设置一测点；为了加强全面管理和监测应全屏加装测点更有利于受热面的全面监管。（2）超超临界机组由春检、秋检过渡至状态检修是当前电力企业的发展趋势，故强化锅炉受热面管理是预防锅炉氧化皮形成的关键措施。这就要求发现温度异常后，及时调整燃烧，以预防超温现象，抑制氧化皮形成。日常工作中，锅炉运行人员需认真、详细的执行吹灰制度，密切监视煤粉细度，并及时检查燃烧器着火。另外，机组运行时，还需根据实际情况调整层磨煤机台数配合，以更好降低锅炉出口温度。

3.3 限制温度变化速度，控制剥落

据有关研究说明金属管壁氧化皮厚度达到0.1mm时容易脱落，超超临界机组启动时，因运行状态的变化，极易使锅炉过热管壁温度变化，导致氧化皮、金属材料的膨胀量存在较大差距，造成金属热应力过度变化，氧化皮脱落；冷热交替也是造成氧化皮脱落的因素，故机组运行、启停时，需严格把控温度及变化率是有效减缓氧化皮的剥落。

（1）正常运行，过热器出口蒸汽温度偏差≤±5℃；屏式过热器出口蒸汽温度偏差≤±10℃；再热器蒸汽温度出口蒸汽温度偏差≤±10℃；升降负荷速率不超过10MW/min（且维持汽温波动<5℃）。（2）启动过程中：并列前的温升速度控制不高于3℃/min；并列后的温升速度控制不高于2℃/min；热态启动时35%BMCR风量吹扫5min后立即点火。机组启动低负荷状态下先不使用磨煤机，而用油枪，这样能减少温度波动，随着负荷量的增加，蒸汽流量将趋于最大，这时再投入减温系统、制粉系统，不但能使蒸汽温度处于稳定状态，还能从根本上预防氧化皮剥落。（3）停运过程中：正常滑停蒸汽温度变化率不高于2℃/min；紧急停机炉膛通风10min后立即停止送引风机并关闭风门挡板锅炉密闭；确保冷却时降温速率不大于3℃/min，减缓壁温的冷却时间，从减缓氧化皮的剥落。

3.4 及时清理

可选用专用的检测仪器对弯头部位进行现场的检测处理，确认垂直管道底部弯头处是否出现氧化层碎片堆积现象，并根据实际情况进行割管清除处理；与此同时，评估管材寿命，及时更换严重氧化的管材。

针对已形成的氧化皮，可借助化学方法彻底清除。当氧化皮的厚度在0.1mm以上时，可优先化学清洗，清洗液以乙酸为主，清洗时间为12小时。每次清洗时，尽最大限度的去除锅炉氧化皮，禁止出现残留物留在管道弯头现象。

启动期间应尽快投入合适的旁路系统，并提高蒸汽流量，从某种程度上增强蒸汽的携带能力，对过热器、再热器受热面氧化皮的沉积物进行吹扫清除。

4 结语

超超临界机组锅炉受热面氧化皮产生、剥落原理相对复杂，氧化皮的产生危害也比较大，从某种程度上降低机组运行效率。因此，锅炉制造厂、发电厂，需格外重视锅炉氧化皮的产生因素，并强化机组检修、运行的管理力度，以减缓氧化皮形成、剥落速度；机组停运后强化过热器、再热器的现场检测，及时清除管内堆积的氧化皮脱落物，消除爆管、超温等安全隐患。另外，锅炉制造厂还需在选材、设计时重视金属氧化皮，制定行之有效的防治措施，以在预防因高温氧化皮形成造成停运事故的同时，提高机组的运行效率。

参考文献

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