超臨界鍋爐末級過熱器氧化皮爆管分析及治理

裴全進，潘龍興

（淮滬煤電有限公司田集發電廠，安徽 淮南 232098）

超臨界鍋爐末級過熱器氧化皮爆管分析及治理

裴全進，潘龍興

（淮滬煤電有限公司田集發電廠，安徽 淮南 232098）

通過對某電廠2臺超臨界鍋爐末級過熱器歷次氧化皮爆管進行分析研究,總結了該爐型氧化皮爆管的原因、特征和規律，提出了防止超臨界鍋爐氧化皮爆管的運行防范措施和檢修期間的重點檢查治理對策，確保機組能夠長周期安全穩定運行。

超臨界鍋爐；氧化皮；爆管；運行控制

0 引言

隨著超(超)臨界發電技術的發展，特別是溫度參數的提高，管道蒸汽側氧化的控制成為一個新的技術難題。由于超臨界鍋爐過熱器出口溫度較高，就目前材料等級來看，還不能避免過熱器管子內壁氧化皮的生成。當氧化皮生長到一定厚度或受到熱疲勞應力的作用時，就會發生脫落，并可能在管內沉積。沉積的氧化皮會危及爐管運行的安全，嚴重時將導致鍋爐過熱器管的堵塞超溫爆管。國內有較多電廠超臨界鍋爐都遭受過氧化皮脫落超溫爆管的困擾，因此開展超臨界機組鍋爐爐管蒸汽側氧化皮的研究和治理，對于大容量、高參數發電機組的安全穩定運行是非常必要和緊迫的。

某電廠1期工程2×630 MW超臨界機組鍋爐系上海鍋爐廠有限公司生產的超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，為單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、∏型露天布置、固態排渣、全鋼架懸吊結構。鍋爐型號：SG-1913/25.4-M967，鍋爐主要設計參數如表1所示。2臺機組分別于2007-07-26和2007-10-15正式通過168 h試運行，目前1號機組運行了3.8萬h，2號機組運行了3.6萬h。自投產以來，鍋爐產生氧化皮堵塞超溫爆管6次，其中1號爐5次，2號爐1次。1號爐發生氧化皮爆管的時間較早，在運行8 000 h后就發生了氧化皮爆管；2號爐在運行1.8萬h后發生了氧化皮爆管。

表1 鍋爐主要設計參數

1 末級過熱器及氧化皮爆管簡介

該廠鍋爐末級過熱器管屏共82排，布置于水平煙道中，為逆流布置，每排受熱面有12根管子。每排管屏均由直徑為38.1 mm的多種壁厚規格的T23，T91，TP347H 3種管材組成，其中T23材料有6.36 mm，7.14 mm，7.96 mm 3種規格；T91材料有5.59 mm，7.14 mm，7.96 mm，9.03 mm 4種規格；TP347H材料有7.06 mm，7.96 mm 2種規格。該廠鍋爐氧化皮爆管匯總如表2所示。

2 氧化皮的生成及脫落分析

2.1 氧化皮的生成

鋼管內表面生成氧化皮是金屬在高溫水汽中發生氧化的結果。在570 ℃以下，生成的氧化皮由Fe2O3和Fe3O4組成，Fe2O3和Fe3O4結構都比較致密，因而可以保護鋼材以免其進一步氧化。當超過570 ℃時，氧化皮由Fe2O3，Fe3O4，FeO這3層物質組成(FeO在最內層)，其中以FeO為主。因FeO致密性差，破壞了整個氧化皮的穩定性。

表2 氧化皮堵塞爆管統計

2.2 影響氧化皮生成的因素

氧化皮生成與溫度、時間、氧含量、蒸汽壓力和流速、鋼材成分、氧化皮成分等有關。通常認為溫度愈高、時間愈長，介質中氧的分壓愈高、流速愈快，氧化皮生成速度愈快。在鋼中加入Cr，Al，Si等元素后，生成的氧化膜致密且牢固，可以使鋼材的抗氧化性提高。

國內外的研究表明：金屬表面的氧化膜并非是由水汽中的溶解氧和鐵反應形成的，而是由水汽本身的氧原子氧化表面的鐵所形成的。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。

2.3 氧化皮的脫落

氧化皮的脫落有2個主要條件：

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

(2) 溫度變化幅度大、速度快、頻度高。T23，T91，TP347H 3種鋼材的膨脹系數與其氧化物的膨脹系數差別較大，當氧化層達到一定厚度后，在溫度發生變化尤其是發生反復或劇烈變化時，因膨脹系數的差異所造成的熱應力使氧化皮很容易從金屬本體脫離。

在機組啟停過程中，管子的溫度變化幅度最大，管內的氧化皮也最容易脫落。加之在啟動初期蒸汽流量較小，不能迅速地將脫落氧化皮帶走，等到大流量時，已經在管徑較小的彎頭處形成堵塞，就會產生管子超溫，所以氧化皮堵塞造成的爆管大多發生在啟動后的短時間內。

3 氧化皮堵塞超溫爆管分析

3.1 氧化皮爆管的爆口形狀特征

(1) 圖1所示為2008-08-17固側第13排出口段管屏爐前第4根管子的爆口，該處管子材質為T91，規格為Φ38.1×7.14。管樣爆口呈魚嘴形，爆口橫向最大張口長度約為42 mm，軸向最大張口長度約為77 mm(包括兩端各10 mm裂紋)，爆口邊緣較銳利，減薄較明顯。爆口附近的內外壁均有一定厚度的氧化層，外壁氧化層厚度在0.15～0.20 mm，內壁氧化層厚度在0.10 mm左右。爆口外壁有呈縱向分布的樹皮狀微小叢裂，爆口具有短時超溫爆管特征。

圖1 氧化皮爆管的爆口形狀1

金相分析：管樣上未見異常夾雜物，管樣端部材料組織為索氏體，爆口處組織為碳化物＋鐵素體＋少量索氏體，管樣爆口部位組織已發生球化。經過顯微硬度試驗確認，組織發生明顯球化的爆口部位硬度已出現一定程度的下降。

(2) 圖2所示為2009-07-10前段管屏第62排第12根管子的爆口，該管材質為T91，規格為Φ38.1×7.96。爆口較為狹長，軸向張口長約55 mm，橫向張口寬約5 mm，爆口邊緣較粗鈍，減薄至1.8 mm。爆口處管徑脹粗至43.4 mm，管子內外壁氧化層較多且部分脫落，爆口附近分布有樹皮狀縱向叢裂。

圖2 氧化皮爆管的爆口形狀2

金相分析：爆口邊緣未見超標夾雜物，爆口金相組織為碳化物顆粒+蠕變孔洞，組織完全球化。爆口附近內壁氧化皮厚0.282 mm，外壁氧化皮厚0.242 mm。經過顯微硬度檢測確認，爆口邊緣硬度明顯降低，爆管符合長時超溫的特征。

3.2 氧化皮的形狀和成分分析

脫落的氧化物形狀以薄片狀為主，其大小與幾何形狀不一致，顏色都是一面灰色另一面黑色，灰色面為氧化物與蒸汽接觸的外表面，黑色面為外層氧化物與內層氧化物的交界面，如圖3所示。

圖3 脫落的氧化物形狀

為了判斷此脫落氧化皮的來源，從中隨機取出3片進行半定量分析。通過分析，確定3片氧化皮來源于TP347H材質管子。

3.3 氧化皮爆管發生的時機

從歷次爆管的時間點可以看出，氧化皮脫落堵塞造成的超溫爆管有2種情況。第1種是在機組啟動后的短時間內發生的，通常在幾小時或十幾小時之內，一般不超過3天。這是因為在機組啟停時，運行控制不當，尤其是停爐時的冷卻速度控制不當和啟動時的升溫速度控制不當，或者在啟動初期使用了大量減溫水，導致氧化皮較短時間內大量脫落并沉積在管子下彎頭處。這些沉積氧化皮未及時被蒸汽沖走，使管子內的介質通流受阻，導致堵塞嚴重的管子超溫爆管。所以，在機組啟動初期，對運行調整的要求相當嚴格。第2種是在機組運行期間發生的爆管，這種情況是因為管子內氧化皮并未全部堵塞滿，蒸汽還有一定的通流量，但不能對管子形成足夠的冷卻，使管子長期處在超溫運行狀態，到一定時間后發生爆管。

分析發現，該廠2008年1號爐連續發生3次氧化皮爆管，都是在機組啟動并網后的幾個小時內。因為之前停爐時未進行悶爐，冷卻速度未嚴格控制，也未全面對下彎頭進行氧化皮堆積檢查，導致連續3次機組啟動后發生氧化皮爆管。第3次爆管后，停爐時進行了悶爐處理，而且對末級過熱器下彎頭進行了氧化皮堆積檢查，清理了5根彎頭內的氧化皮堆積物，機組啟動后才未再發生爆管。

3.4 氧化皮爆管發生的部位

按照末級過熱器逆流布置結構，高溫段在爐前，而且前4圈上部是不銹鋼管，所以氧化皮脫落一般都發生在前4圈，即容易堵塞在前4圈下部的彎頭處。實際上爆管有時并不發生在氧化皮的堵塞處，而是在同一圈管子的其他位置上，即該圈管子上的薄弱環節處，如出口段蒸汽溫度高的管子、迎煙氣側溫度高的管子、材質等級低的管段、管子壁厚較薄處等。

該廠發生的氧化皮爆管多在同一圈進口段的T91管子上。這是因為管子超溫后，在高溫下TP347H管子有比T91管子更好的抗高溫氧化性能，而且進口第1圈也是迎煙氣側管子溫度相對較高處。另外，進口段的管子壁厚較薄，只有5.59 mm，壁厚富余量小，彎頭又是薄弱部位，更容易首先爆管。所以，發生氧化皮堵塞超溫爆管后，對現場的爆破管子進行檢查會發現，往往該處的氧化皮堵塞情況并不是很明顯。

實際情況中，對于氧化皮堵塞造成的超溫爆管，其爆口往往不止1處，如1號爐2008年的前2次氧化皮爆管均有2處爆口，而且距離較遠。這是因為管子內的氧化皮未及時進行清理，導致了不止1根管子內有氧化皮沉積而堵塞超溫。同時，當其中一根管子首先發生爆管時，影響了集箱蒸汽的分配，更加劇了其他堵塞管子的超溫幅度，進而也發生爆管。所以在發生氧化皮堵塞超溫爆管時，一定要對整個末級過熱器系統進行全面檢查，防止出現多處爆管而未被發現的情況。

4 防止氧化皮脫落的運行控制措施

機組運行的調節和鍋爐燃燒的調整對氧化皮的生長和脫落有著最為直接的影響。機組啟停期間對調整的要求也非常嚴格，必須做好機組啟停期間的各項技術措施，尤其是對升溫和降溫速度的控制，這是控制氧化皮集中脫落的關鍵因素。

4.1 嚴格控制金屬壁溫

嚴格控制受熱面蒸汽溫度和金屬壁溫，嚴禁超溫運行，末過、末再管壁金屬溫度運行中不超過600 ℃，汽溫控制服從金屬溫度要求。加強對受熱面金屬管壁溫度的監視，出現金屬管壁溫度報警時，要及時分析并進行燃燒調整。加強對受熱面的熱偏差監視和調整，減小兩側的煙溫偏差幅度，防止兩側受熱面局部長期超溫運行。將分隔屏出口汽溫偏差控制在10 ℃以內，過熱器出口蒸汽溫度偏差不應超過5 ℃，再熱器出口蒸汽溫度偏差不應超過10 ℃。運行中，汽溫偏差應盡可能減至最小，并盡量通過控制中間點溫度及采用燃燒側調整的方法最終控制出口汽溫。

4.2 合理使用減溫水

運行中投用減溫水時，不可猛增猛減，減溫水調節汽溫有一定的遲滯性，應根據減溫器后溫度的變化趨勢來確定減溫水量，兩側減溫水量偏差盡可能不要過大。啟動過程中，減溫水的使用應慎重。如需要使用減溫水調節汽溫，應使用一級減溫水，調節速度應緩慢，禁止大開大關減溫水調整門。杜絕使用二級減溫水，防止高溫過熱器受到較大熱沖擊造成氧化皮脫落。

4.3 嚴格控制機組啟停時的溫度變化速率

(1) 機組正常停機應盡量采用滑停方式。因為采用滑停方式停爐后，管壁金屬溫度已大大降低，可以減緩停機瞬間產生的巨大熱沖擊?；＿^程中，高過和高再出口蒸汽溫度要處于可控狀態，控制受熱面金屬溫度變化率小于2 ℃/min。

(2) 啟動過程中應注意對燃燒率的控制，燃燒率增加應緩慢，嚴格控制升溫升壓速率，保證金屬管壁溫升率在允許范圍內。蒸汽溫度小于200 ℃時，升溫速率小于5 ℃/min；蒸汽溫度在200～400 ℃時，升溫速率小于3 ℃/min；蒸汽溫度在450 ℃以上時，升溫速率小于2 ℃/min。升壓速率控制小于0.05 MPa/min。

4.4 停爐時執行悶爐規定

鍋爐熄火前只保持A磨煤機運行，并盡量將燃燒降到最小，禁止2臺或2臺以上磨煤機運行時鍋爐熄火。鍋爐熄火后，調整風量至30 %，對爐膛進行吹掃5 min后，停止送、吸風機運行，并關閉風煙系統所有進出口擋板進行悶爐。

當分離器壓力降低至1.5 MPa時，對鍋爐進行熱爐放水。放水前將所有空氣門打開，并確認手動門在開啟狀態，同時將各取樣門打開，維持鍋爐系統空氣門和疏水門開啟狀態進行余熱干燥。確認爐內余水放盡，分離器壓力在0.1～0.3 MPa后，關閉爐頂各空氣門、爐側各疏水門、各取樣門，并開啟主蒸汽管路上的疏水門，高低旁開至30 %左右，對爐內受熱面進行抽濕干燥，抽真空3 h后再關閉高低旁和主蒸汽管道疏水門。

當鍋爐悶爐達72 h或末級過熱器金屬溫度降至180 ℃時，緩慢開啟引風機靜葉擋板，控制管壁溫降速率在3 ℃/h左右。全開引風機靜葉后管壁溫降速率小于3 ℃/h時，可開啟送風側擋板及送風機動葉，進行自然通風。

4.5 啟動初期進行氧化皮沖洗

鍋爐點火前，利用變流量對省煤器、水冷壁受熱面進行冷態清洗，水質合格后，允許點火。鍋爐點火時，給水流量維持在500 t/h左右，不要過大，并利用輔汽最大限度地加熱除氧器水溫，提高鍋爐給水溫度。啟動分離器入口溫度在200～260 ℃時，對鍋爐進行熱態清洗，開大3 A閥開度加大排污量。當分離器出口水質含鐵量小于100 μg/L時，熱態沖洗完畢，可以繼續升溫升壓。

鍋爐啟動初期，打開向空排汽門，同時合理控制高、低壓旁路閥的開度，提高受熱面蒸汽通流量，增加蒸汽流速和蒸汽動能，將管子內可能存在的氧化皮等異物帶出。當啟動分離器壓力達5～6 MPa時，利用高、低壓旁路對受熱面進行沖洗。

5 氧化皮檢查治理措施

5.1 加強對典型部位氧化皮的監督檢查

通過對氧化皮爆管的分析總結，基本確定了氧化皮脫落和堆積相關部位的規律，應加強對末級過熱器的典型部位進行氧化皮的檢查。

(1) 對高溫段氧化皮生長速度快的管子的檢查，主要是對末級過熱器的出口段和固定端的管排的檢查。通過2009年和2012年對1號爐末級過熱器管子內壁氧化皮的檢測，發現管子出口段的氧化皮厚度明顯高于入口段，固定端的氧化皮厚度高于其他部位。

(2) 對不銹鋼材質氧化皮容易剝落管子的檢查。從2008年氧化皮爆管開始至今，對2臺爐末級過熱器氧化皮進行長期跟蹤監督檢測，發現氧化皮的脫落堆積基本上都在出口段的前4根TP347H管子上。

(3) 對減溫水對應處有溫度突變處管子的檢查。減溫水大量使用后，使管子內的蒸汽溫度產生了大的波動和突變，管子內壁上附著的氧化皮容易因熱疲勞應力的作用而脫落。2008年1號爐2次爆管在第17排和第58排就處在減溫水的對應部位。

(4) 對彎曲半徑小的管子的檢查。由于末級過熱器管子的內徑較小，一般只有Φ22左右，其管屏中間2圈管子下彎頭結構設計不合理，彎曲半徑太小，只有R38.1和R114.3。當發生氧化皮脫落后，脫落的氧化皮不易被蒸汽沖走而逐漸沉積下來，尤其是機組啟動初期蒸汽流量小的情況下，更容易沉積，從而造成管子堵塞。2009年1號爐2次爆管均是由最內圈第12根管子堵塞造成的。目前管子制造廠已對這種彎頭結構進行了改進，加大了彎頭的彎曲半徑。

5.2 堅持“逢停必檢”的原則

氧化皮的生長有一定的速率，這種生長速率和材質及使用溫度有關系。目前還不能完全準確地確定氧化皮的生長速率和脫落周期。氧化皮生長到一定厚度就必然會脫落，國內大量鍋爐氧化皮剝落堵管及爆管割管取樣分析表明，鐵素體類鋼管氧化皮剝落臨界厚度在0.30～0.50 mm，奧氏體不銹鋼爐管氧化皮剝落臨界厚度在0.05～0.10 mm。該廠1號爐在2008年8月只運行了8 000 h末級過熱器就產生了大量氧化皮脫落情況，2009年5月和7月又出現了氧化皮脫落爆管；之后一直很穩定，在每次停爐檢修期間均進行氧化皮的檢查，都未發現有氧化皮出現。但在2012年4月的C級檢修期間，卻檢查出了有大量氧化皮堆積存在，此時機組已運行了3.6萬h。2號爐在2010年4月機組運行了1.8萬h時出現了氧化皮爆管，之后長時間未發現有氧化皮堆積。但在2012年1月份的D級檢修期間，又檢查出有氧化皮堆積，此時機組已運行了3.2萬h，共割管101根進行了清理。

從這些實例也能看出，該廠氧化皮第1次脫落爆管發生的時間比其他電廠機組稍早，而且第1次脫落高峰期結束至第2次大面積脫落的時間間隔也較短，與通常情況不太吻合。所以，不能輕易確定氧化皮的脫落已經得到控制，這就意味著其隨時都會再次發生脫落。這個時間間隔很難預測和控制，因此只有每次停爐時都進行檢查和確認，才能確保萬無一失。

5.3 及時進行氧化皮清理，防止反復脫落

對檢修期間檢查出的氧化皮堆積，必須及時清理干凈。特別是對末級過熱器氧化皮的割管清理，務必要徹底和干凈。清理后之所以還會出現氧化皮反復脫落的現象，是因為在割管清理和焊接過程中，經常要拉管排，使管子產生扭曲，導致管子內的氧化皮再次脫落。所以在清理之后一定要再檢查一遍，確認沒有再次產生氧化皮脫落，才能啟動。尤其是在搶修時，不能因為檢修工期緊和費用高而忽視檢查，更不能怕麻煩。該廠1，2號爐2012年檢修期間吸取了以往的教訓，分別拍片檢查了5次，清理了4次，共割管225根。

對照分析該廠2012年檢修期間1號爐4次割管101根，2號爐4次割管124根的具體分布情況，發現末級過熱器82排上反復出現的氧化皮堆積位置并沒有明顯的規律，但可以總結出以下幾點。

(1) 氧化皮清理了4次，但隨著割管次數的增加，割管數量逐漸減少。也就是說氧化皮再次脫落堆積的管子越來越少，檢查出脫落的氧化皮量也逐漸減少。

(2) 2臺爐的4次割管共225根，沒有一根是重復的。這說明每次割管清理都比較干凈，檢修過程中已割管清理出較多氧化皮的管子再次堆積的幾率相對較小，因此應重點關注對未割管的清理。

(3) 第2次氧化皮堆積的管子基本在上一次清理割管的附近。這就進一步證明了這些管子中的氧化皮脫落是在檢修期間管子扭動造成的，所以在氧化皮清理結束后，一定要對檢修期間拉過的管排下彎頭進行再次檢查。

6 結束語

超臨界機組鍋爐末級過熱器氧化皮生長及脫落是個相當復雜的過程，影響因素很多，與鍋爐燃燒狀態、運行調整方式、運行參數、機組的啟停方式、負荷的變化、減溫水的投用、機組加氧方式、材料種類等都有著密切的聯系。在現有的材料等級和技術條件下，鍋爐末級過熱器內壁氧化皮的生長和脫落尚不能完全避免。這就要求電廠必須采取行之有效的措施，減緩氧化皮的生長速度，避免氧化皮的集中脫落，正確應對氧化皮脫落情況，降低機組安全運行的風險。運行專業應該按照專業技術規程的要求，嚴格做好各項控制措施，加強監視和預防，精心調整和操作；檢修專業必須做到檢查到位、清理到位、預防到位、整治到位。只有這樣，才能確保機組長周期安全穩定運行。

1 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)．

2 王力園．超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮剝落的原因及防治[J]．電力安全技術，2011(5)．

2014-12-05。

裴全進(1967-)，男，高級工程師，主要從事火電廠金屬技術監督工作，email：whpqj@qq.com。

潘龍興(1972-)，男，高級工程師，主要從事火電廠安全生產管理工作。