超臨界鍋爐高溫管屏蒸汽氧化探析

高清林，陳敦炳，黃慶專，張仁金

(1.福建電力職業技術學院，福建 泉州 362000；2.福建華電可門發電有限公司，福建 福州 350512)

0 引言

隨著火電機組不斷向高參數、大容量方向發展，近年來全國各地相繼投入了大量的600 MW超臨界機組。蒸汽溫度和壓力的提高，使得鍋爐高溫管材的蒸汽氧化問題日益突出，并嚴重威脅著電廠和電網的安全、穩定運行。

實際上，工作在高溫高壓蒸汽下的金屬材料都會產生氧化，亞臨界、超臨界和超超臨界鍋爐的高溫管屏均潛在蒸汽氧化問題。由于亞臨界鍋爐的主、再熱蒸汽溫度較低(一般約540 ℃)，氧化皮的形成過程和發生剝落的時間較長，且亞臨界鍋爐各爐管的管徑較大，管子不易被剝落的氧化皮堵塞，引起鍋爐爆管的可能性較低。超超臨界鍋爐的主、再熱蒸汽溫度雖高達600 ℃，但因其蒸汽氧化問題受到足夠的關注和重視，在管材選擇和鍋爐的設計、運行及管理等方面都給予充分考慮。目前已投產的超臨界鍋爐的汽溫基本約為566 ℃，設計選用管材的溫度裕度較小，氧化皮的產生和剝落速度較快，且由于超臨界鍋爐的壓力很高，其爐管一般采用小口徑管，剝落的氧化皮很容易在爐管中堆積堵塞，進而引發鍋爐超溫爆管。因此，超臨界鍋爐因氧化皮堵塞而引起爐管過熱爆管的問題要比亞臨界和超超臨界鍋爐都嚴重。

爐管因蒸汽氧化而爆管涉及如下3方面：

(1)氧化皮的形成；

(2)氧化皮的脫落；

(3)脫落的氧化皮堆積后引起汽流阻塞，最終導致爐管過熱爆管。

1 氧化皮的生成、脫落和堆堵

運行中的爐管內壁在高溫蒸汽的作用下會不斷氧化并形成連續的氧化皮，這種氧化皮附著在管壁上并在運行中不斷增厚。當氧化皮達到了一定厚度后，在外界擾動作用下將發生脫落，脫落后的氧化皮可能在管中形成堆積堵塞。

1.1 氧化皮的生成

相關研究表明，處于高溫高壓水蒸汽中的金屬，其氧化并非緣于水汽中溶解的氧，而是因為水汽本身氧原子的就位氧化。

金屬的氧化過程是通過離子的擴散來進行的。當含Cr合金鋼爐管長時間通流高溫高壓的水蒸汽時，在氧化的初始階段，活性較高的Cr3+很快擴散到管子內表面，并與水汽中的O2-反應生成Cr2O3氧化膜。這層薄而致密的氧化膜阻止了管子內壁的進一步氧化，但隨著運行時間的推移，Cr2O3氧化膜以下的基體金屬相應地發生了Cr的貧化，與此同時，在超溫或溫度、壓力波動劇烈等情況的影響下，表層Cr2O3氧化膜出現細微的裂紋，基體中的Fe2+和Fe3+便向Cr2O3氧化膜外擴散，并與水汽中的O2-反應生成氧化皮。

當管壁溫度在570 ℃以下時，生成的氧化皮由內層的Fe3O4和外層的Fe2O3組成，Fe3O4和Fe2O3的結晶結構較為致密，離子在其中的擴散速度很慢，氧化速度較為緩慢。當管壁溫度超過570 ℃時，基體中的Fe2+和Fe3+進一步通過內層的Fe3O4向外擴散，而水汽中的O2-也通過外層的Fe2O3向內擴散，在Fe3O4和Fe2O3之間的層面上，Fe2+，Fe3+和O2-反應分別生成Fe3O4和Fe2O3；而在Fe3O4層的內側，Fe3O4則分解生成FeO。至此，高溫下的氧化皮發展成由里到外的FeO，Fe3O4，Fe2O33層組成，其厚度比約為100:10:1，即氧化皮主要是由FeO組成。由于FeO的晶格是可置換和不致密的，體積很小的金屬離子很容易通過它向外擴散，大大降低了管壁金屬在高溫下的抗氧化性能。

隨著溫度的升高，各離子的擴散遷移速度加快，離子間的反應和Fe3O4分解為FeO的速度也加快，其形成的氧化皮也加厚。當氧化皮增長到一定厚度后，會在其中產生應力，促使其破裂，導致氧化皮與金屬基體分裂，周圍的氧則直接侵入內部與金屬發生反應，形成“破裂氧化”，該氧化過程要比擴散氧化過程快得多。

1.2 氧化皮的脫落

根據數值模擬爐管內壁氧化皮的剝落機理可知，鍋爐爐管內壁氧化皮的開裂和剝落與其所受的應力密切相關。

鍋爐運行中，積聚在管內氧化皮上的應力主要包括以下幾個方面：

(1)合金氧化生成氧化皮時因體積增加而產生的膨脹應力；

(2)在鍋爐啟、停及負荷或煙溫波動較大時，因爐管壁沿徑向存在著溫度梯度以及氧化皮與基體金屬之間熱膨脹系數的差異而產生的熱應力；

(3)因爐管內汽水2相流動產生的振動、爐管外煙氣走廊形成的共振以及管壁溫度頻繁、快速、大幅度變化等附加載荷產生的外載應力。

在溫度變化過程中，當不斷累計的膨脹應力、熱應力以及外載應力的總和超過氧化皮的抗拉(或抗壓)強度及其與金屬基體的結合強度時，就會引起氧化皮破裂并從金屬基體上剝離。

數值模擬結果表明，在停爐降溫過程中，氧化皮受壓應力的作用很容易與基體剝離，導致厚皮脫落，薄皮起翹；而在啟爐升溫過程中，高脆性的氧化皮受拉應力的作用極易開裂。

1.3 氧化皮的堆堵

運行中的鍋爐高溫管屏，必然會有氧化皮的生成和脫落。在鍋爐穩定運行時，受熱面的溫度較穩定，不會出現氧化皮的大量剝落，且此時爐管內的蒸汽流速較高，少量剝落的氧化皮也會隨即被高速汽流擊碎并帶走，一般不會在爐管中堆積。但在鍋爐啟、停或溫度、壓力波動較大時，將會造成氧化皮的大量剝落，并可能在爐管中堆積堵塞。

運行經驗表明，因氧化皮堆堵而導致爐管超溫爆管的現象往往發生在停爐后的再次啟動過程中。這是因為：一方面，鍋爐經長期運行后形成了一定厚度的氧化皮，在停爐過程中爐管的快速冷卻使大量氧化皮集中脫落，并在汽流的帶動和氧化皮自身重力的作用下，沉積在U型彎管下彎頭，而停爐后的蒸汽冷凝水也匯聚在U型彎管底部，淹沒了剝落的氧化皮，當鍋爐重新點火后，爐管內聚積的冷凝水逐漸蒸干，氧化皮便粘結成塊狀，堵塞了爐管的流通截面；另一方面，在鍋爐啟動過程中也會導致部分氧化皮脫落和堆積：首先，在啟動初期，尺寸大、強度高的氧化皮在爐管彎頭、變管徑處和聯箱的節流孔等部位堵塞形成橋架，由于此時爐管內的蒸汽流量和流速尚小，無法將其破碎并帶走；之后，尺寸較小的氧化皮也不斷積聚在橋架上，隨著鍋爐啟動過程的進行，爐管堆積的氧化皮越來越多，此時的蒸汽流量和流速雖也有大幅提高，但已很難對其產生擾動并將其帶走。

2 鍋爐過熱爆管

對于爐管這樣的“薄壁壓力容器”，在工作中管壁上受到的環向應力σ為：σ=PD/(2t)。

其中，P——管內蒸汽壓力，Pa；D——管徑，mm；t——管壁厚度，mm。

氧化皮的堆積減小了爐管通流截面，增加了其流動阻力，使得流速變慢甚至停滯，進而導致管壁溫度升高，加劇氧化皮的脫落；同時，流速變慢也使氧化皮沉積的速度加快。如此惡性循環，使管壁溫度急劇升高而過熱。

在超溫下運行的爐管，在溫度和應力的復合作用下，其珠光體球化和管材蠕變將加劇，進而導致爐管脹粗(管徑D增大)；同時，超溫過熱也加速了爐管表面的氧化，而爐管脹粗和氧化又都將使管壁減薄(壁厚t減小)，這些因素都將使爐管實際承受的環向應力σ增大。由此可見，超溫過熱運行的爐管由于宏觀形貌和微觀組織的變化，使得管壁實際承受的環向應力σ增大，而自身的強度卻在下降，當作用在管壁上的環向應力超過管材的許用應力時，將導致爐管爆管。

3 防止氧化皮堆堵爆管的措施

由于影響氧化皮的形成、剝落和堆積的因素很多，因此防治高溫爐管氧化皮堆堵爆管的問題也是一個系統工程，需從管材的選擇及其熱處理和鍋爐設備的設計、改造、檢修、生產運行及管理等方面統籌防控，綜合治理。

3.1 爐管選材及其熱處理

(1)管材選擇。爐管抗蒸汽氧化性能的好壞主要取決于其管內表面能否形成穩定致密的金屬氧化物保護膜，因為在這些致密的氧化膜中金屬離子和氧離子擴散緩慢，可減緩金屬氧化過程。Cr2O3是高溫下熱力學性能比較穩定且致密的氧化物，當管材合金中的Cr含量達到20 %時，合金表面就會形成一層穩定致密的Cr2O3保護膜，從而大大增強其抗高溫蒸汽氧化的能力。因此，在選擇鍋爐管材時，對布置在高溫煙區的管屏，應考慮采用含Cr量較高的TP347HFG，Super304H等合金鋼。

(2)管材熱處理。在奧氏體鋼中，Cr主要沿晶界擴散到表面形成氧化物保護膜，所以晶粒尺寸和表面變形所致的缺陷成為影響蒸汽氧化行為的主要因素。

① 采用特定的熱加工和熱處理工藝使管材晶粒再細化，以加快Cr離子通過晶界的擴散遷移，加速形成致密的Cr2O3保護膜(如細晶奧氏體熱強鋼TP347HFG比粗晶鋼TP347H有更好的抗蒸汽氧化性能)。

② 對爐管內壁進行噴丸處理，在其內表面形成富Cr氧化層，同樣有利于致密的Cr2O3保護膜的形成。

③ 對爐管內壁鍍Cr或用鉻酸鹽溶液在305 ℃條件下循環48 h，同樣能達到減緩管內氧化皮生長和剝離的目的。

3.2 改進管屏設計

(1)適當增大管屏彎管的彎曲半徑，以減少氧化皮剝落后在管內堆積堵塞的可能性。

(2)根據對同類型鍋爐事故的統計分析，在經常超溫爆管的部位增加壁溫測點和壁溫超限報警裝置，擴大對爐管運行溫度的監控范圍。

(3)適當下調末級過熱器和高溫再熱器壁溫超限報警值，以便于運行人員提前進行干預和調整，降低超溫的風險。

(4)在高溫管屏進口段加裝并調整好節流圈，均衡各爐管間的流量分配，減小管屏間和同屏各管間的熱偏差，避免爐管長期超溫運行。

3.3 加強爐管檢查

堅持“逢停必查”的原則，檢測爐管內氧化皮的堆堵情況，必要時可進行割管清理。同時，對爐管進行壽命評估，及時更換失效的爐管，確保鍋爐安全運行。

3.4 鍋爐帶旁路啟動

使鍋爐帶旁路啟動，利用旁路盡早建立較大的啟動蒸汽流量，一方面可以減緩啟動過程中爐管的溫度變化，減少爐管內氧化皮的大量剝落；另一方面可以對過熱器和再熱器進行充分吹掃，將鍋爐啟停過程中剝落的氧化皮沖走。

3.5 運行中吹掃氧化皮

(1)機組首次啟動前，應對鍋爐進行嚴格的酸洗和吹管，將制造、運輸、保管、安裝等環節中在爐管內產生的氧化皮及遺留的各種雜物沖洗掉。

(2)在機組啟動負荷升到500 MW以上后，以約20 MW/min的變負荷率多次快速升降負荷，使蒸汽不穩定流動，以利于沖散氧化皮。

(3)停爐過程中可采用熱爐放水，并利用汽輪機真空系統排盡受熱面內的水蒸汽，利用余熱烘干受熱面，使其內側生成的氧化皮保持干燥、松動狀態，以利于下次啟動時被蒸汽沖走。

(4)在大修前的停爐過程中適當增大汽溫波動的幅度和速度，以加速氧化皮的脫落，并利用高蒸汽流量的攜帶能力帶走脫落下來的氧化皮，以便在檢修時徹底清理。隨時應對爐膛熱工況擾動，防止受熱面壁溫大幅波動和超溫。

（5） 汽溫調節盡量采用調整燃燒器擺角和再熱器煙氣擋板，少用減溫水(尤其是在機組負荷小于60 MW運行時)，但在減溫水停用期間，應根據負荷和環境溫度微開減溫水排污門，使減溫水處于熱備用狀態。需要噴水減溫時，應優先使用一級減溫水而慎用二級減溫水，并通過改進自動控制系統實現減溫水提前操作，嚴禁減溫水大增大收的脈沖式變化。

（6） 機組正常停機宜采用滑停方式，滑停過程中應控制蒸汽的溫降速率在2 ℃/min以內，并注意及時調整各級減溫水量。

3.6 嚴防鍋爐超溫運行

(1)通過合理分配各層燃燒器的燃料、改變燃燒器的擺角、調整二次風門的開度、修正中間點溫度等措施，按照溫度高點嚴格控制主、再熱汽溫及其受熱面金屬溫度在合格范圍內。

(2)嚴格按照規程要求，把鍋爐各受熱面的熱偏差都控制在允許范圍內，防止受熱面局部長期超溫運行。

3.7 嚴格控制溫度變化速率

（1） 采用等離子點火技術的鍋爐，啟動時不宜過早投粉。在點火初期應先投油助燃，待蒸汽流量達到100 t/h后再啟磨投粉，以確保溫升均勻。啟動過程中控制溫升速率在2 ℃/min以內。

（2） 機組熱態啟動過程中，鍋爐的煙風系統應與其他系統同步啟動，隨后在爐膛通風結束后應立即點火，并盡快增加燃料量進行升溫升壓，控制受熱面溫升速率在5～6 ℃/min，防止煙風系統啟動后的長時間強制冷卻或者升溫升壓速度過慢導致受熱面金屬溫度出現大幅回落。

（3） 鍋爐啟動和正常運行中升降負荷應平緩，增減燃料和給水量及投退減溫水應均勻、緩慢，投粉時應確保過熱器內已建立起冷卻流量和各級減溫水已具備投入條件。如果升降負荷的擾動造成汽溫和受熱面壁溫的波動速率超過5 ℃/min，應適當降低機組的升降負荷速率或暫停升降負荷，待溫度調整穩定后再繼續進行變負荷操作。

（4） 鍋爐正常運行時，一、二級減溫水、燃燒器擺角和再熱器煙氣擋板應處于可調整的中間位置，再熱器事故減溫水應處于良好的備用狀態，以

4 注意事項

(1)在燃燒配風調整中，若SOFA風(分離燃燼風)的水平反切角度未調整合適，或因考慮了煤粉燃燼問題而把最上面的幾層SOFA風門關小甚至全關，將會削弱SOFA風的消旋作用。

(2)鍋爐吹灰蒸汽溫度不能太低，以免鍋爐受熱面因受到劇烈冷卻而造成氧化皮提前脫落。

(3)有研究結果表明：在570 ℃以上，水分子會分解為氫氧原子結構，大量的氧原子充分滿足了氧化反應的需要，而570 ℃正是形成不致密的FeO的關鍵溫度值，所以570 ℃應該成為制定鍋爐運行參數的重要參考值。

(4)當前不少電廠存在一些不當操作：一是在鍋爐爆管后仍“帶病”運行，導致爆管爆口泄壓，致使其他爐管內的蒸汽流量減小，在爐內熱負荷未下降時，將引起其他管壁超溫，加劇了氧化皮的形成；二是在發現爆管后，緊急停爐，鍋爐汽側溫度和壓力驟降，有時在爐膛未充分冷卻時就強制通風，使爐管內氧化皮大量脫落，造成堆積，在鍋爐重啟運行約1個星期后，又因氧化皮堵塞再次發生過熱爆管，出現所謂的“星期鍋爐”。

(5)建議鍋爐MFT(主燃料跳閘)后控制吹掃風量在30 %以內，并嚴格控制吹掃時間。吹掃完成后，任何情況下都應及時停運送、引風機，并檢查關閉所有檢查孔、看火孔等進行燜爐。若無特殊情況，應盡量避免通風冷卻，確因鍋爐搶修需要時，則應綜合考慮爐膛溫度和環境溫度，在爐膛溫度降至180 ℃以下方可進行通風，如冬季環境溫度較低，則應等爐膛溫度降低至150 ℃才能通風。在機組強制冷卻搶修后，應進行受熱面氧化皮檢查清理。

(6)機組采用滑參數停機時，應特別注意低負荷時的汽溫控制，在停機的最后階段應注意控制煤倉的煤位，在煤倉突然燒空時應及時調整其余磨的出力，并維持一次風壓的穩定，確保參數的穩定。

(7)蒸汽溫度的控制要服從管壁溫度，若管壁超溫應視情況降低蒸汽溫度運行。

5 結束語

近20年來，國內投產的600 MW超臨界機組“非停”約60 %是因鍋爐“四管”爆漏所造成的，而爐管的爆漏大多發生在末級過熱器和高溫再熱器等高溫管屏，管內氧化皮脫落堆堵則是導致高溫管屏過熱爆管的主要原因。

研究結果表明，超臨界直流鍋爐高溫管屏蒸汽氧化是不可避免的，重要的是如何有效地減緩氧化皮的生成，并避免氧化皮的集中剝離。氧化皮的生成速度主要取決于金屬管壁溫度，鍋爐超溫運行將會加速爐管的蒸汽氧化；而氧化皮的剝落主要取決于氧化皮與金屬基體的溫差，爐管壁溫的急劇變化將會加劇氧化皮與基體金屬間的溫差，從而導致管內氧化皮的大面積脫落。因此，控制爐管壁溫是治理鍋爐高溫管屏蒸汽氧化的關鍵。

1 竇瑩婷，李 君，張 崢．過熱器爐管爆管原因分析[J].材料工程，2012(4)．

2 陳敏生，廖曉春，樓 杰．600 MW超臨界鍋爐管壁超溫的控制[J]．電力安全技術，2012(5)．

3 李 英，高 增，侯君明．超臨界鍋爐過熱器氧化皮形成和剝落機理分析及預防措施[J]．熱力發電，2007(11)．