600 MW超临界锅炉过热器氧化皮防治方案

吴学庆， 罗舜旭

(1. 佛山电建集团有限公司， 广东佛山 528000； 2. 佛山恒益发电有限公司， 广东三水 528131)

国产第一代引进型600 MW超临界燃煤锅炉的高温过热器普遍存在材料抗蒸汽氧化性能偏低现象。近年来，随着这一批机组的服役时间超过50 000 h，高温过热器氧化皮问题不断暴露，过热器氧化皮剥落、堵塞、爆管逐渐成为这一批锅炉泄漏的主要原因[1]。笔者对某电厂锅炉高温过热器氧化皮形成的原因进行了分析，并进一步对化学清洗、管材升级等氧化皮防治方案进行技术、经济性比较，在如何保证施工质量方面提出了一些建议。

1 产生原因

1.1 锅炉高温过热器结构

某电厂同期建设的2台锅炉为SG-1913/25.4-M983超临界参数变压直流炉，单炉膛、一次中间再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π形布置锅炉。高温过热器共有82屏，每屏有12圈管子。管屏采用多种材料组合(见图1)，入口段(冷段)管子的材料为SA213-T23和SA213-T91，出口段(热段)管子的材料为SA213-T91和SA213-TP347H，其中SA213-TP347H材料布置在出口段的最外第1、2、3、4、6根管子的垂直段部分。

图1 高温过热器结构图

1.2 氧化皮产生及剥落的原因

超临界直流锅炉额定蒸汽的温度为571 ℃、压力为25.4 MPa，这一温度、压力条件下，蒸汽对金属受热面的氧化能力比空气高达十几倍，容易在金属内壁生成氧化皮[2]。根据国内外研究结果，低合金钢如T23等，在正常服役温度条件下(低于570 ℃)，蒸汽侧的氧化皮为多层结构，一般由外向内依次为Fe2O3层、Fe3O4层和铁铬尖晶石氧化物(FeCr2O4)层。由于基体本身铬元素含量较低，FeCr2O4层中铬元素富集的程度有限，故从氧化皮结构上来看，分层并不明显。当换热管在超温(570 ℃以上)情况下长期服役，氧化皮中靠近基体部位将形成FeO，这种物质的致密性较差，会破坏氧化皮的稳定性，导致氧化皮易于脱落。T91比T23具有更好的耐高温性能与抗氧化能力。在使用温度范围内，T91氧化皮也呈现成分层情况，一般由外向内依次为Fe2O3层、Fe3O4层和FeCr2O4层。T91材料铬质量分数达到9%左右，FeCr2O4层中铬质量分数一般在15%～18%。氧化皮生长到一定厚度后，不仅出现成分分层，结构上也出现分层情况，Fe3O4层与FeCr2O4层界面处存在大量空洞等缺陷，Fe2O3与Fe3O4层间无明显缺陷。TP347H的氧化皮分层情况与T91类似，但由于基体的铬质量分数较高，FeCr2O4层中的铬质量分数通常可富集到25%以上。蒸汽侧氧化皮与基体金属间、氧化皮各层氧化物间存在热膨胀系数的差异，在管壁温度发生变化时，将导致氧化皮产生的热应力。热应力幅值与温变速率、氧化皮厚度、氧化皮结构有较大关系，当热应力达到一定条件后，将导致氧化皮发生剥落[2]。一般情况下，对于T23等低合金钢，氧化皮从基体界面处剥离；对于T91和TP347H等材料，氧化皮一般从Fe3O4层与FeCr2O4层界面剥离[3]。

氧化皮脱落厚度与合金质量分数有关，管材合金质量分数越高，氧化皮发生脱落的厚度越小[4]。不同管材材料氧化皮脱离临界厚度统计见表1。对于超临界锅炉，累计运行时间达到10 000～15 000 h后，TP347H管子即发生氧化皮集中剥落现象。随着累计运行小时数的加长，位于较低温度区域的T91和T23管子氧化皮也逐渐增厚，运行40 000 h后，T91管子氧化皮厚度也达到0.18～0.26 mm。

表1 常用材料氧化皮剥离厚度

2 防治方法

对于超临界锅炉氧化皮防治工作，在严格控制锅炉启停温度升降等措施的基础上，主要有以下几种方法。

2.1 逢停必检及割管清理法

早期各电厂对超临界锅炉通常采用逢停必检，在停炉后利用射线检测高温过热器管内氧化皮堆积情况，通常以氧化皮堆积高度超过30%管子内径作为割管清理标准。氧化皮剥落主要是氧化皮与金属基体之间的热膨胀系数不同引起，启动过程中残留氧化皮仍然会大面积脱落，存在爆管风险。

2.2 管材升级法

管材升级是将换热管的材料由较低性能等级更换为更高等级，以满足高温环境的使用要求。有部分电厂将高温过热器T23、T91管子升级为管内喷丸处理的TP347HFG管子，升级后的高温过热器运行效果良好[4]；但仍有一些电厂存在换管效果不理想的情况，某电厂将高温过热器入口段材料由T91升级为TP347HFG，运行时间约达到3年，更换的TP347HFG材料再次出现氧化皮问题。

2.3 化学清洗法

采用适宜的清洗介质对过热器和再热器管进行化学清洗，可一次性清除管内堆积和未脱落的氧化皮。该方法可将氧化皮清洗干净，在一定时间内避免过热器氧化皮爆管的发生[5]。

3 方案比较

3.1 全管材升级

全管材升级是将高温过热器管材升级到更高性能的Super304H-SB或TP347HFG-SB，同时将T23管子升级为T91管子。目前，Super304H-SB新管的价格约为10万元/t，TP347HFG-SB新管的价格约为8万元/t，而SG-1913/25.4-M983型锅炉高温过热器冷段管的总质量约为96 t，热段管的总质量约为133 t。一次性将上述高温过热器出口段管材升级为TP347HFG-SB，进口段管材升级为T91，单台锅炉总的改造费用在2 000万元以上。

该锅炉高温过热器T23管的正常运行壁温为514～543 ℃，T91管的正常运行壁温为573～587 ℃，TP347H管的正常运行壁温为606～617 ℃。考虑到管材实际可使用的抗氧化温度，T23管材的计算管壁温度应控制在570 ℃以内，T91管材的计算管壁温度应控制在600 ℃以内。由此可见，T23和T91均符合锅炉厂对高温过热器用材的设计原则，但是TP347H管抗蒸汽氧化温度低于设计温度，需进一步升级。采用全管升级方案，在入口段管材性能远高于锅炉厂推荐的选材原则，出口段管材也满足了抗氧化温度要求，升级后管子的性能得到较大的提高，其处理费用也最高；但对于累计运行时间不到50 000 h的机组，远远未到设计使用年限，如全部进行升级，会造成比较大的浪费。该方案实施工期也较长，需要50天左右。

3.2 化学清洗

化学清洗过热器的范围包括分隔屏过热器、后屏过热器、高温过热器、集箱以及连接管道。单台锅炉清洗费用在500万元以内。

化学清洗是采用专用清洗剂和缓蚀剂，可以有效清除过热器管内表面的氧化皮，并保证除垢率和腐蚀速度达到DL/T 794—2012 《火力发电厂锅炉化学清洗导则》规定的技术指标。化学清洗对TP347H管的性能没有改变，对于蒸汽出口设计温度为570 ℃左右的锅炉，TP347H不锈钢出现氧化皮问题的时间大约在投运后10 000 h[6]。该电厂投运14 000 h后首次发生TP347H爆管，因此如不将TP347H管子更换升级，预计在清洗后机组运行15 000 h，氧化皮脱落会再次出现。

3.3 化学清洗与部分管材升级相结合

该方案首先进行过热器化学清洗，去除换热管内壁的氧化皮，之后再对特征材料进行材料升级，以提高机组再次发生氧化皮问题的周期。高温过热器化学清洗的范围包括分隔屏过热器、后屏过热器、高温过热器。细晶18-8型奥氏体不锈钢的抗蒸汽氧化性能要比粗晶18-8型奥氏体不锈钢好得多[6]。因此，将高温过热器出口段前6圈的管子更换为TP347HFG-SB，每台锅炉更换管的总质量约为45 t，更换的位置见图2。该方案换管工作量不到全管材升级方案的四分之一，参照运行经验，化学清洗后的过热器5年内不会发生氧化皮脱落堵管问题。

图2 更换管排示意图

此方案处理过程比较复杂，工程量较大，实施工期较长，改造时间需60天以上。每台锅炉材料费约为360万元，清洗费用约500万元，总费用约为1 200万元。

通过对过热器氧化皮治理方案的对比，对于运行时间50 000 h左右的机组，综合考虑管子耐高温和抗蒸汽氧化等因素，第三种方案相对经济、合理。

4 施工建议

4.1 换管工作

根据异种钢材的焊接工艺要求，提前在制造厂加工并焊好异种钢短接头，尽量减少现场进行异种钢接头焊接。新管入厂后，采用宏观检查、通球试验、理化检验的方式进行验收，发现不合格产品及时更换处理。

4.2 化学清洗

(1) 为保证化学清洗质量，应选择具有防止发生堵管、气塞、晶间腐蚀的技术能力和相应的技术手段，并具有腐蚀在线监测装置的清洗单位。

(2) 化学清洗前要取样进行管样垢量及成分分析，并进行小型试验确定化学清洗浓度和化学清洗工艺。

(3) 化学清洗前安排对高温过热器出口段下弯头进行射线检测，将氧化皮积聚高度超过50%管子内径以上的，进行割管清理，防止清洗过程堵塞。

(4) 高温过热器为并列式W形管设计，因此如果清洗流速不能达到要求，会在部分管路中形成气塞，致使清洗过程中清洗液不能完全接触到需要清洗的过热器管表面，影响清洗效果；或者在清洗结束后的水冲洗不彻底，造成清洗液残留在过热器管中，从而引起运行后爆管等不良后果。另外，流速过低会使已经剥离下的氧化皮及清洗残渣不能被有效冲走而沉积于过热器管的下部弯头处而造成堵管。

要消除并列式 W形管中形成的气塞，必须保证已经流通的W形管中流体流动产生的阻力大于未流通W形管中形成气塞的流体静压力(即W形管从最低点到最高点的压差)。根据计算及清洗经验可知，过热器管内流速应为1.0 m/s以上。各级过热器部件计算流通面积为各管屏截面积之和，按照0.5 m/s、0.7 m/s、1.0 m/s三种流速分别计算出对应的清洗流量，过热器清洗流速计算结果见表2。

从表2中看出：清洗体积流量达到1 880 m3/h可满足清洗流速要求，过热器清洗过程中清洗泵应保证体积流量在2 000 m3/h以上，且必须设有备用泵。

表2 过热器清洗参数

5 结语

笔者对某电厂SG-1913/25.4-M983超临界参数变压直流炉氧化皮产生的原因进行了分析，并结合机组自身特点，对目前广泛使用的氧化皮治理方法的技术、经济性进行了综合比较，得出以下结论：

(1) 新建超临界机组，在设计初期应充分考虑材料的抗氧化能力，避免使用抗氧化能力较差的TP347H、TP347HFG等材料，建议选用喷丸处理的TP347HFG、Super304H等材料。

(2) 对于服役时间累计运行时间50 000 h左右的该型号锅炉，根据材料情况，采用化学清洗加局部管材升级是最优方案。