超臨界鍋爐蒸汽側氧化皮生成的原因分析及對策探究

摘 要：受自然環境日益惡化的影響，越來越多的企業和單位開始以節能減排作為發展原則。特別是近幾年來，很多電廠引進了一大批超臨界甚至超超臨界的大容量火電機組，這給生產效率帶來了很大提高的同時，一些表面剛才校核時間段，其表面抗氧化能力得不到保障的缺陷也逐漸顯現出來，在超溫情況下可能發生氧化腐蝕現象，造成氧化皮大量脫落的事故出現，相繼的一些安全和經濟問題也暴露出來。本文在闡述超臨界鍋爐受熱面蒸汽側養護皮特征的基礎上，從鍋爐的選材、設計創造、運行檢修等多方面進行了經驗總結，在預防和控制氧化皮的具體措施進行了淺要的分析。

關鍵詞：超臨界鍋爐；高溫受熱；蒸汽氧化皮

1 氧化皮的危害

超臨界鍋爐在長期的使用過程中，由蒸汽側氧化皮生成或者脫落，造成沉積所帶來的危害也逐漸顯現出來，經過近幾年的經驗總結，主要集中在以下幾個方面：第一點，對管內蒸汽的順暢流動造成一定影響，直接造成管壁的溫度急劇上升，金屬蠕變脹粗，以至于鍋爐內管道的泄漏，對生產安全造成惡劣的影響。第二點，氧化皮的產生對于導熱造成影響，絕熱作用會造成受熱面金屬管壁上升，對于管材的使用壽命影響很大。第三點，剝落的氧化皮沒有相應的處理方法，一旦被帶入汽機之內，對于葉片、噴嘴等零部件造成磨損，影響使用壽命。第四，氧化皮在鍋爐內進行滯留，容易形成汽水污染，影響汽水的生成品質。若想從根本上杜絕氧化皮帶來的危害，防止或者減緩氧化皮的生成過程，就要對氧化皮組成結構、形成因素以及剝離規律有深刻的了解，有針對性的進行研究和分析。

2 氧化皮的組成

氧化皮作為一種化學產物，在不同的條件下，組成也會有所差異，自然形成的結構形態也會有所區別，這也是不同型號機組產生的氧化皮不盡相同的根本原因。對于T34、T91以及TP357型號的鍋爐而言，蒸汽側氧化皮的機構基本一致。斷面側的外形一般呈現雙層結構，通常內層的氧化物結構和厚度與外層基本相同。對氧化物進行收集化驗得出的結論是外層氧化皮結構主要成分是Fe3O4，在某些特殊情況下也會存在少量的Fe2O3，內層的機構比較復雜，主要組成成分是（FeCr）3O4，其中Cr的含量受鋼中Cr含量的影響很大，基本是隨著鋼中含量的增長而增長。外表皮的氧化物疏松多孔，通過顯微鏡進行細致的觀察發現，基本上呈粗大柱狀晶體結構。內層的氧化物相對而言要緊實致密一些，主要以尖狀的晶石結構。在內層和外層氧化皮的表面界面上，都大量分布著平行于表面的孔洞。

3 氧化皮的剝離機制

受實際應用的條件制約，目前超臨界鍋爐機組運行參數呈不斷上升趨勢，這直接導致爐內溫度不斷超出極限，已經不在氧化皮增長的溫度控制范圍之內，氧化皮快速的生長也就自然得不到控制。從理論上來講，目前國內比較常見的機組型號當中，TP347H是抗氧化性能最好的材質，其次是T39，它在鍋爐內壁氧化皮厚度不超過一定范疇時，氧化皮和管材的結合部相對比較緊密，所以在氧化皮的厚度不高時，剝落的程度不大。相比之下TP347H的抗氧化系數雖然比較優越，但是在線性膨脹系數方面要比T91大很多，也就是說雖然的生成難易度方面占有優勢，但是在剝落程度方面卻略遜一籌。相比之下T23型號的鍋爐在抗氧化能力以及剝落方面都有比較明顯的劣勢，其內壁的氧化厚度在同等外界條件下可能較大，一旦溫度不穩定，發生波動，就會產生剝落現象。

造成氧化皮的剝離條件主要由兩個方面組成，一方面是氧化層的厚度達到一定的累計程度。另一方面是溫度變化大、速度快、頻度大所造成的影響。由于承載材料與氧化層之間的膨脹系數存在差異，當氧化層沉積達到一定的厚度時，加之溫度不穩定，發生反復劇烈的變化，就會造成氧化皮與金屬本體發生剝離現象。

4 氧化皮的沉積

由于剝離現象的出現，內壁產生的氧化皮在U型彎的底部得不到有效的清理，沉積在底部，鍋爐機組在運行過程中，蒸汽流量不夠大，無法對殘留物進行清理，造成氧化皮累積效應，到達一定厚度之后，即使在鍋爐啟動時產生了比較大的蒸汽流量，也很難對過大量的氧化皮產生擾動。這就直接導致被堵塞的管道溫度急劇升高，短期的超溫就會造成爆管現象出現。鍋爐停滯運行時，一部分蒸汽降溫凝結成水沉積在過熱器的U型管底部，淹沒氧化皮，隨著水分的蒸發，氧化皮一層一層緊密的粘結在一起，形成核狀，直接造成流通截面堵死。

5 預防高溫受熱面氧化皮生成的有效措施

5.1 基礎設備的選擇

在鍋爐的選擇方面，首先應降低蒸汽氧化的速率，對于蒸汽溫度參數都滿足條件的機組，應該選擇抗氧化性能出眾的材料。特別是對過熱器和再熱器的高溫段管材內壁進行處理，通過噴丸、鍍銘等手段減少蒸汽氧化。在鍋爐型號的選擇方面，重點放在選擇有利于減小傳熱偏差的爐型上，此外還應當注意爐內生成氧化皮的運輸能力。

在管材的選擇方面，為了能夠有效的減少氧化皮生成，不僅要在提高材質等級方面下功夫，更應該對鍋爐的受熱面以及不同區域的材料進行嚴格的校核計算，根據不同的溫度要求選取合適的耐溫材料。在管道內壁進行強化處理，提高內表面的抗氧化能力。

5.2 操作流程正規化

鍋爐的超溫運行是氧化皮生成的主要因素。加強對鍋爐汽溫、煙溫的偏差調整和監管工作對于氧化皮的防治方面有著重要的意義。目前比較行之有效的手段是通過電站鍋爐高溫管屏安全性在線臨測系統對于溫度和受熱面管壁進行監控，提高汽溫自動的控制水平，防治受熱面局部超溫運行。通過燃燒調整和風量調整為主要手段，增加SOFA風門的開度，努力調整兩側煙溫的偏差。在機組運行過程中，應該盡量避免人為因素增加機組的啟停次數，這對于控制氧化皮脫落有著重要的意義。如若機組發生故障緊急停機，要控制高溫過熱器、再熱器和屏式過熱器出口蒸汽的溫度和受熱金屬溫度降溫速率，嚴格控制停爐過程中的冷卻速度。鍋爐對爐膛要進行通風，按照順序停止送風機、引風機并且管壁送風機出口和引風機的進出口，防止受熱面技術溫度快速降低。

5.3 規范檢查措施

在鍋爐受熱面停止工作時，做到逢停必查。檢查的主要內容包括：脹粗檢查、變形檢查、彎頭氧化皮累計檢查、壁厚檢查、變色檢查、外壁氧化皮剝落狀況檢查。除此之外，應該特別注意對超溫管材的抽樣檢查工作。對于檢查中發現氧化皮堆積較多的管道區域如不能達到清理效果，應該進行割管清理。另外還應該建立長期的監視機制，定期對氧化皮含量。爐內壁溫度在線監控系統等進行維護。充分利用好超臨界機組的停機時段，對過熱器、再熱器的出口段下彎頭進行氧化皮堆積情況進行磁性法檢測。

6 結束語

我國目前在超臨界技術方面還有很多經驗上的不足，對于超臨界技術的負面影響辦法不多，為了少走彎路，極早對已經發現的問題進行處理和預防是十分必要的。尤其對于鍋爐機組安全經濟運行產生威脅的老大難問題，例如超臨界鍋爐蒸汽側氧化皮，其生成和處理要進行有針對性的研究，采取必要措施，避免事故的發生。

參考文獻

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