超臨界直流鍋爐氧化皮脫落原因及預防策略探討

摘要：由于超臨界直流鍋爐在運行時經常會因高溫受熱而導致氧化皮的脫落，進而對鍋爐設備的運行效率和設備質量產生嚴重影響?；诖耍疚囊猿R界直流鍋爐作為主要研究對象，通過對其概念與特點進行闡述和分析，在結合其氧化皮形成機理與脫落原因的基礎上，對預防超臨界直流鍋爐氧化皮脫落的相關策略展開了研究。

關鍵詞：超臨界直流鍋爐；氧化皮脫落；預防策略；氧化反應；高溫受熱面 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK229 文章編號：1009-2374（2016）32-0058-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.028

超臨界直流鍋爐內的高溫受熱面發生氧化作用而形成氧化層、氧化層脫落是十分普遍的現象，然而如果在超臨界直流鍋爐的使用過程中沒有給予其足夠的重視度，采取相應的有效處理措施，會導致超臨界直流鍋爐在長期的使用中，氧化層脫落越來越多，發生堵塞爐管，甚至爆管的現象，不僅會對超臨界直流鍋爐正常運行帶來影響，還有可能造成人員傷亡等嚴重的問題，因此圍繞超臨界直流鍋爐氧化皮脫落原因及預防策略為中心展開細致的分析探討是有著重要意義的，以下是具體內容。

1 超臨界直流鍋爐的定義

鍋爐內工質壓力處在臨界點之上時的鍋爐即超臨界直流鍋爐。一般情況下鍋爐內工質都為水，22.115MPa、374.15℃是水的臨界壓力和臨界溫度，處在這個狀態下的水和蒸汽其轉化為汽化的潛熱為零，鍋爐內工質壓力在22.115MPa之下即亞臨界鍋爐，鍋爐內工質壓力在26MPa上即超臨界直流鍋爐。

2 超臨界直流鍋爐氧化層的形成機理

超臨界直流鍋爐運行時爐內的溫度達到550℃～570℃，而這一溫度正好處在水蒸氣氧化能力極強的區間之內，在處于這個溫度時水蒸氣對于金屬物質的受熱面氧化能力比空氣的氧化能力要強十幾倍，因此很容易在超臨界直流鍋爐的內壁上發生氧化作用，從而形成氧化層。

在超臨界直流鍋爐內，高溫水蒸氣和內壁金屬物質在550℃～570℃下會發生強烈的氧化作用，其內壁金屬物質生成氧化物的主要化學反應過程為：首先發生3Fe3+4H2O=Fe3O4+4H2反應，同時在超臨界直流鍋爐內高溫水蒸汽和金屬鐵之間，還可能存在Fe+2H2O=FeO2+2H2、O2+2H2=2H2O、Fe（Fe2+）+O2（O2-）=FeO三種化學反應的平衡，致使超臨界直流鍋爐內壁的金屬鐵不斷被氧化為氧化鐵變成氧化層。

在超臨界直流鍋爐的內高溫再熱器和高溫過熱器管內有高溫蒸汽通過時，金屬Fe就會和高溫水蒸汽發生化學反應，一開始形成Fe3O4，Fe3O4會形成一層氧化膜，同時這層氧化膜還是富有韌性和致密的，在這層膜形成之后，鍋爐內壁的鐵被氧化的速度就減慢。隨著氧化反應時間的不斷加長，這層氧化就會變成由多層的Fe3O4、Fe2O3和FeO組成，而當水蒸汽溫度在565℃之下時氧化膜多為Fe3O4和Fe2O3；當水蒸氣溫度在565℃以上時氧化膜多為FeO。

3 超臨界直流鍋爐氧化皮的脫落原因

隨著超臨界直流鍋爐內壁氧化膜的厚度不斷增加，氧化膜會因為其膨脹系數的變化而發生脫落現象。隨著鍋爐的內部高溫環境運行的繼續，鍋爐內壁的氧化作用會不斷發生，再加上溫度和水分的影響，會導致鍋爐內壁的金屬氧化層大面積的脫落，還可能會導致爐管的堵塞，造成爆管的發生。細致分析超臨界直流鍋爐氧化層脫落，可以得出以下原因：

3.1 爐管材質的性能差異

目前大多數的超臨界直流鍋爐的爐管都以合金為主，合金中Cr的含量多少決定了爐管材料的不同，進而決定其抗氧化性和耐熱性的性能不同，在使用超臨界直流鍋爐時通常需要根據實際使用的環境，選用最合適的Cr含量的爐管，來避免爐管的氧化過快。然而如果爐管的使用環境和Cr含量之間并沒有合理的匹配，就會導致在鍋爐運行的過程中發生氧化速度極快的現象，進而氧化層的生產加速，導致行程的氧化層的快速脫落。

3.2 管壁溫度過高

很多超臨界直流鍋爐的內壁已經有了很厚氧化層，但仍然在繼續使用，這會導致氧化層很厚處的爐壁實際厚度增加，進而導致爐管的局部溫度升高，又促使氧化反應加速，氧化層厚度繼續增加，這樣的惡性循環會致使氧化層厚度達到一定程度之后發生大面積的脫落。

3.3 機組啟停的熱應力

在超臨界直流鍋爐的正常啟動和停止中都需要大量的熱負荷，來實現水循環流量達到鍋爐啟停所需的流量，而在啟停時高熱負荷作用的影響下，超鍋爐管會出現短時間的干燒狀態，而干燒狀態下的氧化層就極易脫落。一般情況下在鍋爐的啟停時都會采取相應的降溫措施，保持鍋爐管的溫度穩定，然而這個措施又會產生大量的熱應力，熱應力又會加速氧化反應，進而加速氧化層的脫落。根據目前的技術研究，鍋爐的氧化層脫落，很大一部分是由熱應力作用形成的。另外，若鍋爐停止運行，鍋爐內的溫度迅速降低，會使得鍋爐內的負荷量瞬間降低，這會和鍋爐機組在運行時的熱負荷量產生巨大的落差，也可形成熱應力，進而致使超臨界直流鍋爐管的氧化反應加速和脫落加速。

4 超臨界直流鍋爐氧化皮脫落的預防措施

4.1 對材質的科學設計與選擇

超臨界直流鍋爐發生氧化反應和氧化層脫落與超臨界直流鍋爐的自身材料有著極其重要的聯系，因此在對超臨界直流鍋爐的材料選擇和設計時，必須做到科學合理，目前高晶粒度等級的鋼材是較好的鍋爐材料選擇?，F階段，國內的鍋爐制造材料多采用國內生產的鋼材，然而目前國內生產的鋼材在其晶粒度上和國外先進鋼材的晶粒度還存在著一定的差距，所以在鍋爐鋼材選擇要盡量選擇晶粒度等級高的鋼材。另外，除了晶粒度等級之外，鍋爐制作材料的抗高溫性和抗氧性也是非常重要的影響因素。因此超臨界直流鍋爐制造企業在對鍋爐鋼材的選擇時，要積極引進國外的先進技術，提升我國鋼料的晶粒度等級和抗高溫性、抗氧化性。在超臨界直流鍋爐制造中必須嚴格把握質量關，提高制造工藝，避免焊接縫、厚度不均勻的問題?？傊诔R界直流鍋爐的制作過程中必須對制造鋼材的選擇和設計嚴格控制，減少鍋爐的氧化層形成和脫落，保障超臨界直流鍋爐的正常、安全運行。

4.2 安裝工藝的改善與焊接條件的控制

要保障超臨界直流鍋爐氧化層形成以及氧化層脫落問題的有效控制，在超臨界直流鍋爐的安裝過程中就需要實現嚴格規范。首先，對于安裝工人的專業技能、安裝技術要有明確的要求，尤其是過熱器、再熱器等容易出現偏差的地方更要安裝得特別精準；其次，在安裝之前要再次確定鍋爐爐體質量的過關，確定爐管內沒有異物，確定安裝環境的適合，在安裝完成之后為了保障穩定性還需要對疏水管、爐管等重點設備進行檢查；最后，在超臨界直流鍋爐焊接時要保障焊接質量，避免不同類型的鋼材進行焊接，受到目前焊接技術和工藝的影響對異種鋼進行焊接很難實現焊接質量保障，易出現受熱不均等問題，導致鍋爐氧化層的形成和脫落。

4.3 加強超臨界直流鍋爐的管理

加強運行環節超臨界直流鍋爐的管理也是有效減少鍋爐氧化層形成和脫落的有效途徑之一。首先，在鍋爐的運行過程中要加強對鍋爐的管理，一般情況下在氧化層形成之后并不會馬上對鍋爐運行產生影響，需要其脫落累積一定的量后才會有明顯的影響，因此加強鍋爐的日常管理，及時發現氧化層的形成和脫落現象，究其原因并解決，可有效地降低可能出現的問題；其次，加強對超臨界直流鍋爐的汽水質量檢查監督。按照規定在超臨界直流鍋爐運行之前都會對鍋爐使用除鹽水，需要水質合格才能使用，因此加強這方面的監督，保證其嚴格的執行，有效地實現鍋爐的管理；最后，可以對現有的超臨界直流鍋爐的運行模式進行優化。定期對鍋爐采取吹灰工作，保持鍋爐的清潔，避免局部過熱而產生氧化層形成和脫落問題。另外對鍋爐運行中的煤水比也必須做到合理、科學，最大程度地減少減溫水的使用，保障超臨界直流鍋爐的穩定運行。同時對超臨界直流鍋爐機組的使用投入量要盡可能的達到100%，提高超臨界直流鍋爐的運行經濟效益。

5 結語

綜上所述，超臨界直流鍋爐在運行過程中多處于550℃～570℃的高溫環境之下，再加之超臨界直流鍋爐啟停導致的頻繁熱負荷變化而產生的熱應力，鍋爐的爐管內壁會發生氧化反應，其形成的氧化層也會脫落，對鍋爐的運行穩定和安全有著嚴重的影響，因此需要從材質的科學設計與選擇、安裝工藝的改善與焊接條件的控制和加強超臨界直流鍋爐的管理等方面，對超臨界直流鍋爐的爐管內壁氧化層的形成和脫落實現有效的控制，進而提升超臨界直流鍋爐運行的安全性和穩定性。

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作者簡介：蔡小緯（1982-），男，陜西渭南人，神華神東電力陜西富平熱電有限公司發電運行部值長。

（責任編輯：王 波）