亞臨界機組鍋爐氧化皮產生原因及預防措施

華毅等

摘要： 結合亞臨界機組鍋爐運行、檢修的總結，對末級過熱器管排的取樣進行了金相分析、硬度測定、氧化皮檢查，分析了氧化皮的生成及剝落原因式，并提出了控制氧化皮形成和剝落在運行及檢修中的預防措施。

Abstract： Combined with the summary of the subcritical boiler operation and maintenance， metallographic analysis， hardness measurement and scale check are done to the sample of final stage superheater tube. The causes for the formation and spalling of the scale are analyzed and measures to control scale in operation and maintenance are put forward.

關鍵詞： 亞臨界鍋爐；氧化皮；防范措施

Key words： subcritical boiler；scale；prevention measures

中圖分類號：TK223 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）28-0039-02

0 引言

隨著亞臨界300MW燃煤機組的大量投產及長期的運行，鍋爐高溫受熱面蒸汽通道氧化皮問題成為鍋爐爆管的主要原因之一，同時也帶來了傳熱惡化、汽輪機固體顆粒侵蝕、汽門卡澀、葉片損壞等諸多問題，成為大容量發電機組長期安全、穩定、經濟運行的極大困擾和障礙[1-2]。為了了解電站鍋爐氧化皮形成與剝離的原理和規律，提出有效的預防和解決措施，提高機組的可用率和安全經濟性。對于發電廠的管理和工程技術人員而言，充分認識氧化皮的生成機制和剝落特性，并從運行、檢測和維護、檢修等方面采取有效措施，降低氧化皮造成的損害，已經成為提升機組管理水平的當務之急。

1 設備概況

安慶皖江發電有限責任公司一期工程2×300MW機組，鍋爐是由上海鍋爐廠引進先進技術制造的亞臨界變壓運行直流鍋爐，一次中間再熱、自然循環、單爐膛、平衡通風，擺動燃燒四角切圓燃燒方式。水冷壁采用內螺紋垂直上升膜式水冷壁、爐水循環泵啟動。爐膛采用封閉布置，全懸吊結構，固態排渣，全鋼構架。末級過熱器壁管子規格為Ф51×7.5，材質為鋼102（12Cr2MoWVTiB），抗氧化溫度600℃，最高允許溫度584℃，運行控制溫度為577℃。截止2013年1月，#1機組累計運行62046小時。

2 氧化皮脫落經過及檢測分析

2.1 氧化皮脫落經過 2012年11月12日#1機調停消缺， 11月15日21：00分，#1機啟動后帶負荷至200MW后，發現末級過熱器壁溫測點6（固27排）與相鄰測點5（固22排）、測點7（固32排）壁溫顯示異常，與相鄰點差30-40℃，隨負荷的變化該點壁溫顯示值高達600-610℃。經分析認為：壁溫顯示異常的影響因素主要有以下兩個方面：①熱控測量異常；②該測點對應的管子內部有異物堵塞，流通的蒸汽減少使該測點溫度異常升高。根據上述情況，初步判斷為管子內部最大可能是在彎頭部位存在異物（氧化皮脫落沉積），從而造成管子內部通流面積減少，汽流量減少，造成壁溫較高，綜合考慮：目前此路環管中汽流量相比其它環管，汽流量偏小，可以控制溫度監督運行。

運行三個月后，利用調停期間對過熱器彎頭部位的氧化皮沉積情況利用射線進行了全面的檢查，管排共檢驗81排566個彎頭（共566個彎頭，27排進口外1圈因超溫直接換管），發現126個彎頭有堆積物，均在進口段。堆積物5%的彎頭有35個、8%的彎頭14個、10%的彎頭39個、15%的彎頭20個、20%的彎頭15個、30%的彎頭1個、40%的彎頭1個、100%的彎頭1個，其中氧化皮最多的有26和27排，26排進口測下部彎頭氧化皮沉積達100%（如圖1），27排進口測下部彎頭氧化皮沉積達40%，上述出口側的氧化皮很少。對氧化皮沉積達8%的彎頭均割管清理處理，達5%及以下的彎頭對通流面積影響不大，未進行割管處理。

2.2 檢測分析 由末過第26、27排泄漏彎頭及出口直管段上部取樣進行金相分析、硬度檢測及氧化皮檢查。分析結果為彎頭和直段管段組織中貝氏體形態消失，碳化物聚集在鐵素體晶界位置，貝氏體為4-5級球化；泄漏位置硬度偏低，其它部位硬度正常；內壁氧化皮最厚處達0.37mm，內壁氧化嚴重。

3 氧化皮生成及原因分析

3.1 氧化皮的生成機理 參照熱力學中的FeC相圖，根據有關試驗分析判斷R102在570℃（臨界點）以下，生成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4組成，這兩種氧化物都比較致密，反過來可以保護金屬基體內部避免更進一步的氧化。當溫度超過570℃時，600-620℃氧化速度加快，在Fe2O3和Fe3O4的內層會生成FeO，FeO處于最內層，FeO點陣結構簡單，是鐵原子的缺位固溶體。鐵離子易由里向外擴散，氧原子易向內擴散與鐵離子結合，因此加劇鐵的氧化，又由于FeO致密性差，結構疏松，破壞了整個氧化膜的穩定性，在熱應力等因素的作用下，R102的抗氧化能力大大降低。

3.2 氧化皮生成的原因分析 ①1號爐累計運行約6萬多小時，2011年大修后曾連續長周期運行一年多，加上高負荷運行等因素，加快了氧化皮生成，經檢查測量主要氧化皮厚度在0.19～0.31mm之間。②管子設計選材因素，R102本身高溫性能尚可，但抗氧化性能較差，氧化皮比較容易生成和脫落，在當時的設計制造中并沒有過多的考慮氧化皮的問題。③過熱器受熱面設計可能存在偏大，加上煤種摻燒變化較大，存在入爐煤煤質特性不均，致使燃燒溫度波動、熱負荷變化等問題，在運行時會出現局部受熱面高溫，受熱面溫度場不均的問題，局部超溫導致氧化皮更容易生成。④爐水中含氧量等因素也能導致氧化皮生成加快。endprint

3.3 氧化皮脫落的原因 氧化皮氧化層剝離有兩個主要條件：一是多層氧化層達到一定厚度，一般超過0.1mm，二是溫度變化頻繁、幅度大、變化率高，不同材質在高溫下的線性膨脹系數不同，氧化鐵較小，R102較大，由于熱脹系數的差異，當管內壁氧化皮達到一定厚度后，在溫度發生變化，尤其是溫度發生反復或劇烈變化時（如快速冷卻），氧化皮很容易從金屬基體中剝落。

累計運行6萬多小時，大修后曾連續長周期運行一年多，生成的氧化皮較多，在計劃檢修中為縮短檢修工期，機組在停機過程中基本上是快速冷卻、壁溫波動較大，導致氧化皮從管道內壁剝落，堆積在管道“U”形彎的下彎頭處，2012年調停后，末級過熱器局部超溫，主要是快停檢修啟動后溫度變化產生的熱應力導致氧化皮進一步脫落形成，從本次收集的氧化皮看，大部分都是停爐后新脫落的氧化皮，原運行過程中脫落的并不多。

4 預防措施

4.1 運行中采取的措施 ①鍋爐滑停中溫降速度控制合理，因設備和檢修原因，可以通過自然通風冷卻，應避免停爐后強制通風冷卻。②啟動中加強冷、熱態蒸汽系統的清洗，并嚴格控制冷態沖洗和熱態沖洗水質指標；使部分氧化皮等雜質被沖洗掉，合理設置汽機旁路有利于鍋爐管氧化皮問題的預防和脫落后的處置。③嚴格控制鍋爐升溫、升壓速度， 汽輪機沖轉、并網運行前后溫度升降率應控制。為防止爐膛熱負荷工況擾動造成受熱面超溫，運行中應以燃燒調整（如燃燒器角度、風量匹配等）作為汽溫主要調節手段，避免用一、二級減溫水大開大關來調節汽溫，尤其是二級減溫水的使用。④機組并網后，控制主、再熱汽溫在530℃，運行不低于5h。⑤加強爐水給水水質監測，嚴格控制給水含氧量。⑥加強超溫監督管理，尤其加強對鍋爐管易超溫管段的監視，防止超溫爆管，發現異常及時分析并采取相應措施。⑦應注意對測溫裝置的校驗及壁溫測點安裝工藝控制，確保測量數據準確、可靠。

4.2 檢修方面采取的措施 ①加強檢查：拍片檢查、氧化皮測厚、內窺鏡檢查、割管檢查等。做到逢停七天以上必查，發現管道有變色等異常時應及時進行檢查，發現問題及時處理。②減小停運頻率，加強設備的正常維護，延長檢修周期。

5 結論

目前，國產亞臨界300MW鍋爐在國內相繼發生氧化皮爆管的事件，鍋爐一旦發生氧化皮脫落問題將會給后續的處理工作造成很大的難度，因此提前預防氧化皮的生成和脫落是問題關鍵。對機組的啟停方式的控制、減溫水投入的控制、爐水含氧量、超溫控制等因素需要特別關注，并需要持續的研究和掌控。

參考文獻：

[1]陳媛，王旭.超（超）臨界鍋爐氧化皮脫落原因分析及防治措施[J].華電技術，2013，35（3）：1-4.

[2]曾壁群，陳裕忠，馮庭有.1036MW機組鍋爐受熱面氧化皮的預控措施研究[J].發電設備，2012，26（4）：292-295.

[3]富君，張宏杰，張承鋼，薛賀成.亞臨界鍋爐水冷壁腐蝕泄漏原因分析及處理[J].內蒙古電力技術，2002（03）.endprint

3.3 氧化皮脫落的原因 氧化皮氧化層剝離有兩個主要條件：一是多層氧化層達到一定厚度，一般超過0.1mm，二是溫度變化頻繁、幅度大、變化率高，不同材質在高溫下的線性膨脹系數不同，氧化鐵較小，R102較大，由于熱脹系數的差異，當管內壁氧化皮達到一定厚度后，在溫度發生變化，尤其是溫度發生反復或劇烈變化時（如快速冷卻），氧化皮很容易從金屬基體中剝落。

累計運行6萬多小時，大修后曾連續長周期運行一年多，生成的氧化皮較多，在計劃檢修中為縮短檢修工期，機組在停機過程中基本上是快速冷卻、壁溫波動較大，導致氧化皮從管道內壁剝落，堆積在管道“U”形彎的下彎頭處，2012年調停后，末級過熱器局部超溫，主要是快停檢修啟動后溫度變化產生的熱應力導致氧化皮進一步脫落形成，從本次收集的氧化皮看，大部分都是停爐后新脫落的氧化皮，原運行過程中脫落的并不多。

4 預防措施

4.1 運行中采取的措施 ①鍋爐滑停中溫降速度控制合理，因設備和檢修原因，可以通過自然通風冷卻，應避免停爐后強制通風冷卻。②啟動中加強冷、熱態蒸汽系統的清洗，并嚴格控制冷態沖洗和熱態沖洗水質指標；使部分氧化皮等雜質被沖洗掉，合理設置汽機旁路有利于鍋爐管氧化皮問題的預防和脫落后的處置。③嚴格控制鍋爐升溫、升壓速度， 汽輪機沖轉、并網運行前后溫度升降率應控制。為防止爐膛熱負荷工況擾動造成受熱面超溫，運行中應以燃燒調整（如燃燒器角度、風量匹配等）作為汽溫主要調節手段，避免用一、二級減溫水大開大關來調節汽溫，尤其是二級減溫水的使用。④機組并網后，控制主、再熱汽溫在530℃，運行不低于5h。⑤加強爐水給水水質監測，嚴格控制給水含氧量。⑥加強超溫監督管理，尤其加強對鍋爐管易超溫管段的監視，防止超溫爆管，發現異常及時分析并采取相應措施。⑦應注意對測溫裝置的校驗及壁溫測點安裝工藝控制，確保測量數據準確、可靠。

4.2 檢修方面采取的措施 ①加強檢查：拍片檢查、氧化皮測厚、內窺鏡檢查、割管檢查等。做到逢停七天以上必查，發現管道有變色等異常時應及時進行檢查，發現問題及時處理。②減小停運頻率，加強設備的正常維護，延長檢修周期。

5 結論

目前，國產亞臨界300MW鍋爐在國內相繼發生氧化皮爆管的事件，鍋爐一旦發生氧化皮脫落問題將會給后續的處理工作造成很大的難度，因此提前預防氧化皮的生成和脫落是問題關鍵。對機組的啟停方式的控制、減溫水投入的控制、爐水含氧量、超溫控制等因素需要特別關注，并需要持續的研究和掌控。

參考文獻：

[1]陳媛，王旭.超（超）臨界鍋爐氧化皮脫落原因分析及防治措施[J].華電技術，2013，35（3）：1-4.

[2]曾壁群，陳裕忠，馮庭有.1036MW機組鍋爐受熱面氧化皮的預控措施研究[J].發電設備，2012，26（4）：292-295.

[3]富君，張宏杰，張承鋼，薛賀成.亞臨界鍋爐水冷壁腐蝕泄漏原因分析及處理[J].內蒙古電力技術，2002（03）.endprint

3.3 氧化皮脫落的原因 氧化皮氧化層剝離有兩個主要條件：一是多層氧化層達到一定厚度，一般超過0.1mm，二是溫度變化頻繁、幅度大、變化率高，不同材質在高溫下的線性膨脹系數不同，氧化鐵較小，R102較大，由于熱脹系數的差異，當管內壁氧化皮達到一定厚度后，在溫度發生變化，尤其是溫度發生反復或劇烈變化時（如快速冷卻），氧化皮很容易從金屬基體中剝落。

累計運行6萬多小時，大修后曾連續長周期運行一年多，生成的氧化皮較多，在計劃檢修中為縮短檢修工期，機組在停機過程中基本上是快速冷卻、壁溫波動較大，導致氧化皮從管道內壁剝落，堆積在管道“U”形彎的下彎頭處，2012年調停后，末級過熱器局部超溫，主要是快停檢修啟動后溫度變化產生的熱應力導致氧化皮進一步脫落形成，從本次收集的氧化皮看，大部分都是停爐后新脫落的氧化皮，原運行過程中脫落的并不多。

4 預防措施

4.1 運行中采取的措施 ①鍋爐滑停中溫降速度控制合理，因設備和檢修原因，可以通過自然通風冷卻，應避免停爐后強制通風冷卻。②啟動中加強冷、熱態蒸汽系統的清洗，并嚴格控制冷態沖洗和熱態沖洗水質指標；使部分氧化皮等雜質被沖洗掉，合理設置汽機旁路有利于鍋爐管氧化皮問題的預防和脫落后的處置。③嚴格控制鍋爐升溫、升壓速度， 汽輪機沖轉、并網運行前后溫度升降率應控制。為防止爐膛熱負荷工況擾動造成受熱面超溫，運行中應以燃燒調整（如燃燒器角度、風量匹配等）作為汽溫主要調節手段，避免用一、二級減溫水大開大關來調節汽溫，尤其是二級減溫水的使用。④機組并網后，控制主、再熱汽溫在530℃，運行不低于5h。⑤加強爐水給水水質監測，嚴格控制給水含氧量。⑥加強超溫監督管理，尤其加強對鍋爐管易超溫管段的監視，防止超溫爆管，發現異常及時分析并采取相應措施。⑦應注意對測溫裝置的校驗及壁溫測點安裝工藝控制，確保測量數據準確、可靠。

4.2 檢修方面采取的措施 ①加強檢查：拍片檢查、氧化皮測厚、內窺鏡檢查、割管檢查等。做到逢停七天以上必查，發現管道有變色等異常時應及時進行檢查，發現問題及時處理。②減小停運頻率，加強設備的正常維護，延長檢修周期。

5 結論

目前，國產亞臨界300MW鍋爐在國內相繼發生氧化皮爆管的事件，鍋爐一旦發生氧化皮脫落問題將會給后續的處理工作造成很大的難度，因此提前預防氧化皮的生成和脫落是問題關鍵。對機組的啟停方式的控制、減溫水投入的控制、爐水含氧量、超溫控制等因素需要特別關注，并需要持續的研究和掌控。

參考文獻：

[1]陳媛，王旭.超（超）臨界鍋爐氧化皮脫落原因分析及防治措施[J].華電技術，2013，35（3）：1-4.

[2]曾壁群，陳裕忠，馮庭有.1036MW機組鍋爐受熱面氧化皮的預控措施研究[J].發電設備，2012，26（4）：292-295.

[3]富君，張宏杰，張承鋼，薛賀成.亞臨界鍋爐水冷壁腐蝕泄漏原因分析及處理[J].內蒙古電力技術，2002（03）.endprint