亞臨界鍋爐氧化皮的生成機理及防治措施

徐焱　李志明

摘 要：長期以來，氧化皮生成和脫落問題一直是引起鍋爐爆管的一個重要因素，因氧化皮形成，脫落，再形成，再脫落以致受熱面管子減薄。同時脫落的氧化皮在管道內沉積使管道堵塞，使管內冷卻工質流通不暢，管子得不到冷卻燒損導致爆管。氧化皮的生產和脫落有材料方面的原因，有水質和蒸汽品質方面的原因，同時超溫也是形成氧化皮的重要因素之一，對于一臺已經成型的鍋爐來說，如何減少超溫和控制溫度變化率是控制氧化皮生產和脫落的主要方法。

關鍵詞：氧化皮；機理；剝落

1 高溫氧化皮剝落現象

工作汽溫在450℃以上的蒸汽管道，其內壁會生成堅硬的Fe3O4垢層。隨著運行時間的增加，垢層變厚。當垢層增厚到一定程度，遇到工況變化快，溫度改變劇烈時，這些垢層就容易從管壁剝離。垢層剝離后的管壁會重新開始新的氧化垢生成、長厚過程。含Cr合金鋼管材所生成的這種氧化鐵垢，會有厚度幾乎相等的內外二層。外層是完全不含Cr的純Fe3O4（含少量a態）層；內層是含Cr高于基體的富鉻層。溫度是氧化皮生成的一個關鍵因素。如工作溫度在480℃～545℃的高溫過熱器或高溫再熱器，其同一根U型管的出口端的氧化皮要比進口端嚴重得多。高溫氧化剝皮還發生在過熱蒸汽和再熱蒸汽的主管道、汽輪機的高壓缸和中壓缸的前二級葉片。

2 氧化皮形成機理

由于鐵的氧化物種類繁多，并且在不同的條件下生成不同的氧化物，關于受熱面高溫氧化皮的成因和剝落機理主要是以下幾方面：金屬的氧化是通過氧離子的擴散來進行的。假如生成的氧化膜是牢固的，在生成氧化膜后，氧化過程就會減弱，金屬就得到了保護。假如生成的氧化膜不牢固，生成的氧化膜不斷剝落，氧化過程就會繼續下去；受熱面氧化現象首先是鐵元素的氧化。在570℃以下，生成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4。組成Fe2O3和Fe3O4都比較致密，因而可以保護鋼材以免進一步氧化。當超過570℃時，氧化膜由Fe3O4、Fe2O3、FeO三層組成（FeO在最內層），其厚度比約為1：10：100，即氧化皮主要是由FeO組成，FeO是不致密的，因此破壞了整個氧化膜的穩定性，氧化過程得以繼續下去。

氧化皮剝離有兩個主要條件：一是垢層達到一定厚度。二是溫度變化幅度大、速度快、頻度大。有關過熱器再熱器管材鋼的熱脹系數一般在16×10-6～20×10-6/℃，而Fe3O4和FeO·CrO。則分別為9.1×10-6/℃和5.6×10-6/℃。由于熱脹系數的差異，當垢層達到一定厚度后，在溫度發生變化，尤其是發生反復或劇烈的變化時，氧化皮很容易從金屬本體剝離。

管內氧化皮生成和剝落速度與溫度、時間、氧氣含量、蒸汽壓力、流速、鋼材成份、氧化皮成份等因素有關。溫度愈高，時間愈長，介質中氧的分壓愈高，流速愈快，管內氧化皮生成和剝落速度愈快。

3 氧化皮剝落的危害

鍋爐的高溫過熱器和再熱器多為立式布置。每級過熱器由數百根豎立的U形管并列組成。內壁氧化皮的存在，不僅導致受熱面金屬壁溫升高，從U形管垂直管段剝離下來的氧化皮垢層，一部分被高速流動的蒸汽帶出過熱器，另有一些會落到U形管底部彎頭處。由于底部彎頭處氧化皮剝離物的堆積，使得管內通流截面減小，流動阻力增加。這導致了管內的蒸汽通過量減少，使管壁金屬溫度升高。當堆積物數量較多時，管壁大幅超溫，引起爆管；從高溫過熱器和再熱器管剝離的氧化皮，很多會被有著極高流速的蒸汽攜帶出過熱器和再熱器。至調門或再經噴嘴后，獲得更大的速度，這些被攜帶的氧化皮剝離物顆粒具有極大的動能，它們不斷地撞擊汽輪機葉片，使得汽輪機高壓缸和中壓缸的前幾級葉片受到很大的損傷。損傷嚴重時，前二級葉片會變小、缺損，降低機組出力；被高速蒸汽帶出過熱器和再熱器的氧化皮剝離物顆粒，在汽輪機內完成對葉片的撞擊和沖蝕以后，顆粒本身會破碎、變小、變細，并增加了一些葉片本身被沖蝕的產物，進入凝結水系統。這些細小氧化鐵顆粒進入系統后會在鍋爐水冷壁管、靠近省煤器端的高加水側加熱管沉積，導致水汽系統二次污染。

4 控制氧化皮生成、脫落和運行措施及調整建議

鍋爐金屬管在高溫水蒸汽環境下產生氧化皮屬于正常現象。由于管子金屬材料的線膨脹系數比氧化皮膨脹系數大得多，所以當過熱器或再熱器在啟動線或停爐時，會產生很大的脹差而促使氧化皮脫落。粗晶奧氏體不銹鋼管（12Cr2MoWVTiB）過熱器，設計出口溫度為540℃左右，鍋爐可能會在運行3萬時后首次出現氧化皮脫落。氧化皮的治理是一項繁復的工作，即使汽溫波動小，超溫控制良好，隨著運行時間的積累，當氧化皮的厚度達到一定值時，它一樣會脫落，我們要做的是盡量不要讓它在運行中脫落，減小在運行中的脫落量，從而不致于造成氧化皮堵管、超溫爆管。

在機組啟停過程中，管子的溫度變化幅度最大，管內氧化皮最容易剝落。特別是緊急停爐時，由于爐溫度急冷，壁溫驟降，很容易造成氧化皮脫落。加之在啟動初期蒸汽流量較小，不能迅速地將剝落的氧化皮帶走，等大流量時已經存管徑較小的彎頭處形成堵塞，就會產生超溫。另外，啟動過程中噴水減溫導致管壁金屬溫度劇烈變化也是導致氧化皮剝落原因之一，所以氧化皮堵塞造成的爆管多發生在啟動后短時間內，建議采取以下防范措施來進行氧化皮的控制：

4.1 機組啟動階段

（1）機組啟動過程中的按規程嚴格把關，確保啟動各階段汽水品質合格，并適當提高鍋爐上水溫度，鍋爐進水溫度由此前的40-60度提高到90-104℃。（2）沖轉至50MW負荷過程中禁止使用減溫水，防止汽溫難以控制造成汽機水沖擊，并網后迅速增加給煤量，同時保持壓力不變升負荷，用調門來控制各部汽溫的升速率，待負荷高于50-60MW時，逐漸投入減溫水調節。（3）機組啟動暖管過程中要保證暖管的壓力和蒸汽流量，適當延長暖管時間，目的是對過熱器、再熱器、主再熱蒸汽管道進行有效的吹掃。（4）鍋爐啟動階段的主要控制參數：最大爐水飽和溫升≯1.5℃/min，最大汽溫升≯1.5℃/min，后屏過熱器出口溫度及屏再、末再、末過壁溫溫升≯5℃/min，后屏過熱器出口溫度≯540℃，重點注意控制煤量和爐膛出口煙溫的變化，保持各蒸汽受熱面的壁溫升在規定范圍內。（5）鍋爐啟動階段應控制A/B側過熱器出口溫度的偏差，如果偏差大于5℃，應采取調整輔助風檔板開度（A側高時適當開大反切輔助風門，關小正切輔助風門，B側高時相反）將偏差值控制在10℃之內，從而防止局部過熱。（6）氧化皮剝落和溫度變化有直接的關系，因此控制機組啟停次數、頻度，減緩升溫和降溫速率。鍋爐啟停中受熱面溫度變化按照規程規定的參數升降，抑制氧化皮的剝落。特別是機組啟動和事故狀態下，由于再熱器存在蒸汽中斷的情況，此時要對再熱器系統進行保護，通過旁路系統向再熱器供汽，減少再熱器干燒的時間。

4.2 機組停運階段

（1）停機時，如果沒有特殊情況，盡量不要將汽溫滑得過低，一般不要低于380度，減小金屬和氧化皮之間的熱應力，減少在滑停過程中氧化皮的脫落量。（2）做好停爐保護。選用恰當的停運保養方法，如熱爐放水，受熱面負壓抽干等，它可以有效地減輕過熱器管下部彎頭的停運腐蝕。（3）沒有特殊要求，盡量避免鍋爐停運后強冷，強冷時對于風量必須嚴格按照規程執行。（4）對高溫過熱器和再熱器，在每次機組大修和有條件的小修時割管，測取垢量，分析氧化皮的嚴重程度和生成趨勢。同時，對高溫過熱器、高溫再熱器底部彎頭拍片檢查，及時發現有沉積物的彎頭，進行更換，可以較有效地避免運行后爆管。

5 結束語

綜上所述，氧化皮的形成和剝落有其不可避免的原因，但還有很多方法減緩和控制其生產的數量和速度。在啟停機階段，只要嚴格按照升溫升壓曲線去執行升溫升壓程序，控制各項參數，對氧化皮的形成和剝落還是有很大的延緩作用的。

參考文獻

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