工業鍋爐高溫受熱面氧化皮堵管的成因及應策

（廣東省特種設備檢測院順德分院,廣東順德 528300）

隨著鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器出口溫度的提升，原高溫受熱面采用的低合金耐熱鋼材料已不再能滿足鍋爐超高溫運行工況要求。因此，高合金奧式體材料在超臨界和超超臨界鍋爐上開始廣泛應用。然而，高溫下奧式體鋼管內壁不可避免的被水蒸氣氧化，鍋爐長時間運行氧化膜生長形成一定厚度的氧化皮，因氧化皮和鋼管基材存在較大的膨脹系數差，在停爐冷卻過程中氧化皮受應力作用脫落、堆積堵塞受熱面管，如檢查清理不徹底，就會造成鍋爐再次啟動后超溫爆管。為了防范爆管情況的發生，就必須減少和避免氧化皮脫落及堆積。

1 金屬蒸汽氧化腐蝕機理

高溫蒸汽管道內壁生成氧化膜是自然過程，開始氧化膜形成的很快，一旦膜形成后氧化速度減慢。但隨著運行時間加長，在高溫高壓劇烈波動條件下，由于基材和氧化皮熱膨脹系數的不同，金屬表面的氧化膜會產生裂紋，裂紋的存在使得基體金屬直接暴露于氧化環境中，加速了氧化進程，氧化層也向雙層、多層發展。

高溫金屬材料SA-213TP347H 為奧氏體不銹鋼，當奧氏體不銹鋼長期處于高溫、高壓水蒸汽中時，管子內壁也會氧化。Cr 的活性較高，在氧化初期階段，管子內表面會生成很薄的Cr2O3 氧化膜，這層膜可以阻止管子內壁的進一步氧化，但只有Cr 含量高達20%時，合金表面才會生成致密的氧化膜。隨著時間的增長，氧化膜以下的基體相應發生Cr 的貧化，在溫度、壓力劇烈波動情況下，外層氧化皮出現細微的裂紋，Fe 向氧化膜外擴散，大大惡化了其高溫下抗氧化能力，氧化速度加快，氧化層也開始向雙層、多層發展。

不銹鋼雖然抗氧化能力較強，但在高溫時，溫度、壓力劇烈波動條件下，由于氧化膜的破裂，氧化速度亦是很快的。

多年研究表明，蒸汽氧化與材質的晶粒度有關，SA-213TP347H 材質要求晶粒度在7 級以上才能生成Cr2O3 型氧化膜，但目前管材 (TP304H、TP347H)的晶粒度多在4－6級，晶粒度等級低，無法生成Cr2O3 保護氧化層。

2 氧化皮的脫落

氧化皮的脫落有兩個主要條件:

（1）氧化層達到一定厚度，通常不銹鋼為0.1mm，鉻鉬鋼為0.2～0.5mm；

（2）溫度變化幅度大，速度快，頻率高。氧化皮的脫落主要是由于氧化皮與金屬基體的熱膨脹系數不一樣造成的。SA-213TP347H 鋼材的膨脹系數在(1－20)×10－6/℃，而氧化鐵的膨脹系數在9.1 ×10－6/℃。由于熱膨脹系數相差一倍，在溫度升高時，氧化皮受拉應力，溫度快速降低時，氧化皮受壓應力，所以溫度劇烈或反復變化時很易產生裂紋以至于脫落。相對于珠光體鋼和馬氏體鋼(熱膨脹系數(12－14)×10－6/℃)熱膨脹系數與氧化皮比較接近，脫落的幾率相對少，這就是為什么TP347H 氧化皮更容易脫落的原因。

高溫氧化遵循拋物線規則，由于TP347H 管的氧化皮的熱膨脹系數與基體材料的熱膨脹系數有較大的差異，在鍋爐快速啟停時，氧化皮容易脫落(幾微米就可脫落)，脫落后使基材暴露在蒸汽中，而拋物線特性為初始氧化速度極快，導致反復脫落，反復氧化，氧化速度加快。脫落的氧化皮會堆積在管內，使該管蒸汽流量減少，管壁溫度升高，更加快氧化進程。

3 氧化皮堆積的成因

脫落的氧化皮在U 型彎的底部停滯，由于機組啟動時蒸汽流量較少，無法將其帶走。脫落的氧化皮不斷地積聚，到一定數量時，即使負荷較高時，也無法將其帶走，慢慢地堵塞管子，造成管壁超溫。停爐冷卻過程中，部分蒸汽凝結成水，積于U 型管底部，淹沒了脫落的氧化皮，隨著U 型管底部積水的逐漸蒸發，氧化皮一層緊貼一層，積聚成核狀，堵死管道的流通截面。

4 應對氧化皮產生、脫落、堆積策略

為保證鍋爐安全運行，防止出現爆管情況，一是預防氧化皮的產生，二是預防氧化皮脫落，三是預防氧化皮堆積。

4.1 應對氧化皮生成的策略

（1）嚴格按機組運行規程規定的鍋爐上水水質，控制上水速度8%BMCR 流量左右，上水溫度與汽水分離器壁溫差＜110℃，啟動初期，利用輔汽提升除氧器給水溫度，盡量保證上水溫度達到120℃，加強水質監督。

（2）采用合理的水處理方式。國際比較流行的直流鍋爐水處理有全揮發性處理(AVT)、復合氧處理(CWT)、給水加氧處理(OT)三種。隨著超(超)臨界技術的發展，出于安全性和經濟性等方面考慮，國際上先進的直流鍋爐均明確要求機組正常運行過程中，水處理必須采用CWT 方式。

復合氧處理法(CWT)的優點有:較好地利用了中性水工況和堿性水工況的優點，避免了各自的缺點；在整個水汽循環中，同時使用鐵和銅材時，防腐效果處于最佳位置，腐蝕產物濃度最低；水汽循環中，各個設備上的垢層減小；有利于環保，凝結水處理設備再生周期延長。

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（3）運行中避免蒸汽和金屬溫度超溫。因氧化皮的生成與溫度有密切的關系，所以鍋爐運行中要嚴格控制過熱器、再熱器受熱面的蒸汽和金屬溫度。主蒸汽溫度和再熱汽溫度應控制在設計溫度±5℃范圍內。鍋爐設計資料中都給出了各級受熱面的金屬溫度報警值，運行中要嚴格按照該溫度控制，嚴禁超溫運行。

加強對受熱面的熱偏差監視和調整，防止受熱面局部長期超溫。鍋爐運行中兩側汽溫偏差應控制在5～10℃范圍內，溫度偏差過大，可造成局部超溫，產生氧化皮。

4.2 應對氧化皮脫落的策略

（1）運行過程中應當避免大的負荷波動。受熱管壁內附著氧化皮的熱膨脹率遠小于金屬管的熱膨脹率，運行中如果負荷有較大的波動，會使受熱管道的溫度產生劇烈變化，由于膨脹量不一樣，氧化皮從壁面脫落下來。當脫落的氧化皮過多時，容易堵塞管道，導致爆管。所以在運行過程中應當盡量避免大的負荷波動。

（2）主、再熱蒸汽溫度在570℃～600℃區間內時，應控制汽溫平穩變化，防止溫度突變。在這一區間內溫度突變，極易造成大量氧化皮脫落，危害運行安全，因此要注意汽溫控制，盡量使其變化平穩緩慢。噴水減溫器應避免噴水量大幅度變化和周期波動，噴水量變化大，會造成減溫后汽溫大幅變化，引起氧化皮脫落。

（3）啟、停爐時，嚴格控制啟停爐速度。啟、停爐過程中，應當嚴格控制啟停爐速度。按照停爐類型，設定降負荷速度。若升降負荷速度過快，爐內溫度變化較劇烈，除了對爐本體設備會造成損壞外，還容易形成大量氧化皮脫落，堵塞管道。

機組故障緊急停機時，爐膛通風10 分鐘后立即停止送、引風機，并關閉送風機出口和引風機進、出口擋板，進行燜爐6 小時以上，防止受熱面溫度快速降低。

控制高溫過熱器、再熱器蒸汽溫度和金屬壁溫降溫速率不大于1.5℃/min，主、再熱壓力降低速率不大于0.3MPa/min。降壓結束后，水冷壁可以上水冷卻，通風冷卻要控制低溫段入口煙溫降低速率不高于1.5℃/min。

4.3 應對氧化皮堆積策略

（1）鍋爐啟動前水沖洗。對新投運和停運時間超過150 小時的鍋爐，啟動前必須進行水清洗，利用旁路將氧化皮吹掃到凝汽器，以除去堆積在受熱面上的雜質、鹽分和鐵銹，直至爐水品質達到允許鍋爐點火啟動的要求。在貯水箱排水Fe＞500μg/l 時，清洗水經疏水擴容器排地溝或循環水系統不回收；在貯水箱排水 Fe＜500μg/l，一般在 200～300μg/l 時才排入凝汽器循環。在給水操縱臺前疏水管排水Fe＜200μg/l 時，鍋爐開始上水，可以進行冷態清洗。

冷態清洗結束后，鍋爐點火，進行熱態沖洗，在水冷壁出口水溫升高至180℃左右進行熱態清洗，冷態啟動在0.5～0.7MPa 壓力下發生汽水膨脹，熱態清洗應該在汽水膨脹結束后進行。這一過程是清洗Fe 過程，必須嚴格按照規程要求，盡可能在前期去除系統內的Fe。熱態清洗時投入5%BMCR 的熱負荷。給水流量約為20%BMCR，此時水冷壁系統流量為50%BMCR。

（2）對過熱器、再熱器及其管道系統進行疏水。在機組啟動階段，在高、低壓旁路開啟前，對過熱器、再熱器及其管道系統進行疏水，排出管道內堆積物。如有條件進行簡易的排汽，吹掃系統。

機組沖轉之前，利用100%旁路系統對受熱面管道進行大流量氧化皮吹掃，快速開啟和關閉旁路(3 次)，通過瞬間壓力和流量的變化進行吹掃，而且為了保證吹掃質量吹掃時間不少于10 小時，吹掃期間密切關注凝汽器水質含鐵情況的變化。

（3）必要時可以采取化學清洗，或再次進行吹管。

結語

本文通過對高溫氧化層脫落、堆積成因及應對措施的研究，取得了較好效果，鍋爐機組運行以來，其氧化皮厚度目前處于正常水平，無明顯脫落，這充分說明了應對策略是可行有效的，為減少和避免氧化皮脫落堵塞爆管提供了很好的借鑒。

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