超臨界機(jī)組TP347H受熱管內(nèi)氧化皮堆積爆管分析與預(yù)防

柯道斌

摘 要：隨著大容量超臨界機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增加，TP347H不銹鋼受熱面管內(nèi)氧化皮剝落造成管道堵塞、爆管的問(wèn)題組較為常見。為此，茂名臻能熱電有限公司對(duì)本廠#7爐600MW超臨界機(jī)組鍋爐受熱面氧化皮剝落造成管道堵塞爆管的問(wèn)題非常重視。在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)#7爐高溫受熱面存在大面積氧化皮脫落堵塞現(xiàn)象，尤其屏式過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器和高溫再熱器都有個(gè)別彎頭完全堵滿，嚴(yán)重威脅鍋爐的安全運(yùn)行。作者作為一位電廠基層生產(chǎn)人員，從運(yùn)行及檢修的角度提出一些淺見。

關(guān)鍵詞：氧化皮；堆積；爆管；預(yù)防

1 基本情況

茂名臻能熱電有限公司#7鍋爐為東方鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的超臨界參數(shù)變壓直流爐，型號(hào)為DG1920/25.4-Ⅱ2型，一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)、采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，固態(tài)排渣，全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)、露天布置，前后墻低NOx軸向旋流燃燒器對(duì)沖燃燒。截至到2017年1月，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約為13000小時(shí)。屏式過(guò)熱器布置在爐膛上部，沿?zé)煔夥较蚍智啊⒑髢山M。每一組沿爐寬反向布置15屏，共30屏，每屏由22根管子組成。高溫過(guò)熱器位于折焰角上部，沿爐寬方向布置32屏，每屏由20根管子組成。高溫再熱器位于水平煙道內(nèi)，共64屏，每屏由13根管子組成。上述管屏入口管段材質(zhì)均為SA-213T91，出口段材質(zhì)均為SA-213TP347H。2016年5月4日，#7爐爐內(nèi)屏式過(guò)熱器有泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)后屏東往西數(shù)第四排北往南數(shù)第三根管子中上部爆漏。

2016年8月9日#7爐高溫過(guò)熱器西往東數(shù)第十屏北往南數(shù)第十根管爆漏，爆口位置大約在：入口側(cè)離下部彎頭1600mm處，焊口上100mm處，以上兩起事故爆管原因均為：管內(nèi)氧化皮脫落，造成堵塞，引起過(guò)熱爆管。為此，茂名臻能熱電有限公司對(duì)本廠#7爐600MW超臨界機(jī)組鍋爐受熱面氧化皮剝落造成管道堵塞爆管的問(wèn)題非常重視。在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)#7爐高溫受熱面存在大面積氧化皮脫落堵塞現(xiàn)象，尤其屏式過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器和高溫再熱器都有個(gè)別彎頭完全堵滿，嚴(yán)重威脅鍋爐的安全運(yùn)行。

2 氧化皮形成機(jī)理

受熱管內(nèi)金屬表面的氧化膜并非由水汽中的溶解氧和鐵反應(yīng)形成，而是由水汽本身的氧分子氧化內(nèi)接觸面的鐵元素所形成。高溫下的水蒸氣氧化性很強(qiáng)，氧化受熱管內(nèi)壁是不可避免的。蒸汽中的氧來(lái)自H2O，在高溫環(huán)境下，水分解為H2和O2，在穩(wěn)定的壓力和溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，氧化初期，受熱管內(nèi)表面與水蒸氣接觸，基體微表面存在的晶界或晶粒中Cr、Ni元素向外遷移，與Fe基體共同與水蒸氣中的H2或O2反應(yīng)，生產(chǎn)（CrFe）2O4、Ni0等非均質(zhì)層，氧化皮/水蒸氣界面存在氧過(guò)剩，繼續(xù)反應(yīng)生產(chǎn)Fe3O4，形成中間層的柱狀氧化皮，由于柱狀氧化皮存在氧遷移通道，使內(nèi)層/中間層氧化皮界面的氧濃度/氧分壓增加，內(nèi)層氧化物在界面處解離成鐵不足型氧化物，氧以分子或離子形態(tài)通過(guò)間隙直達(dá)金屬基體界面，研究表明，當(dāng)水蒸氣在570℃以上時(shí)，反應(yīng)速度加快，不銹鋼氧化層會(huì)迅速加厚。

3 影響氧化皮生成速度及脫落的主要因素

（1）鍋爐運(yùn)行中受熱面管道壁溫，同一種管材，管壁溫度越高，氧化速度越快，鍋爐加減負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，煤量、給水、蒸汽流量等出現(xiàn)波動(dòng)，容易造成屏過(guò)、高過(guò)、高再受熱面超溫；啟動(dòng)過(guò)程中，負(fù)荷較低，部分受熱管內(nèi)蒸汽流量不足，引起超溫過(guò)熱，以上工況均會(huì)加速管內(nèi)壁金屬氧化皮的生成，氧化皮生成后并不馬上脫落，而是附著在內(nèi)壁上。

（2）受熱面管材抗氧化性能，抗氧化性能越差，氧化速度越快，其中合金內(nèi)Cr含量影響最大，Cr含量越高，其氧化速度越慢，各種常見管材氧化皮生長(zhǎng)速度順序：T22、T91>TP347H>super 304>HR3c。

（3）氧化皮積累越厚越容易脫落，不同管材平均脫落厚度如表1所示。

（4）受熱面管壁溫度變化頻率、幅度過(guò)大，造成金屬材料與氧化膜層間應(yīng)力超過(guò)臨界值。與氧化皮相比，線膨脹系數(shù)相差越大的金屬材料，氧化皮就越易剝落，TP347H管為奧氏體不銹鋼管，其線膨脹系數(shù)α1為（1.7～1.9）×10-5K-1，而氧化物的線膨脹系數(shù)α1為9.1×10-6K-1，線膨脹系數(shù)相差較大。鍋爐啟停過(guò)程中，溫升溫降速度控制不當(dāng)，運(yùn)行中大量使用減溫水，金屬與氧化物膨脹收縮程度相差較大，會(huì)引起氧化皮脫落，因此TP347H管內(nèi)易發(fā)生氧化皮脫落堆積，引起超溫爆管事故。

4 氧化皮的主要危害

（1）管內(nèi)氧化皮脫落堆積，引起超溫爆管事故。若受熱管內(nèi)脫落的氧化皮的量超過(guò)管內(nèi)流動(dòng)的高溫蒸氣攜帶能力，氧化皮會(huì)堆積在U型受熱面管道彎頭、出口管段、出口聯(lián)箱的節(jié)流孔部位。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)氧化皮大部分堆積在U型受熱面管道彎頭，增大在運(yùn)行中容易引起管內(nèi)蒸氣流量不足，造成局部管段過(guò)熱，引起超溫爆管。

（2）如果氧化皮進(jìn)入到主蒸汽管道，容易引起主汽門、調(diào)門卡澀，造成主汽門、調(diào)門關(guān)閉時(shí)無(wú)法關(guān)到位，嚴(yán)重威脅到機(jī)組的安全停運(yùn)。進(jìn)入到汽輪機(jī)內(nèi)部的氧化皮，侵蝕汽輪機(jī)噴嘴、葉輪葉片等關(guān)鍵部件，進(jìn)入凝汽器的氧化皮，會(huì)污染凝結(jié)水品質(zhì)。

（3）氧化皮容易堵塞細(xì)小疏水管道，小口徑閥門，帶來(lái)大量檢修處理工作，加重一線生產(chǎn)人員的工作負(fù)擔(dān)，更會(huì)威脅到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5 治理的思路及防范措施

受熱面管內(nèi)壁氧化皮脫落無(wú)規(guī)律性且脫落過(guò)程是一個(gè)自然過(guò)程，需長(zhǎng)期預(yù)防和控制，根據(jù)#7機(jī)組防治經(jīng)驗(yàn)及檢測(cè)情況，建議在以下方面進(jìn)行預(yù)防和控制：

（1）控制鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中溫度、壓力變化率，鍋爐啟動(dòng)初期屏式過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器、高溫再熱器受熱管內(nèi)無(wú)蒸汽流通，處于干燒狀態(tài)，升溫、升壓速率過(guò)快更容易引起氧化皮脫落堆積，因此要開機(jī)過(guò)程嚴(yán)格控制升溫度速率。2016年我廠5月屏式過(guò)熱器、8月高溫過(guò)熱器由于氧化皮堵塞爆管引起高度重視，降低啟動(dòng)過(guò)程溫度變化率，升溫率不超過(guò)1.5℃/min，有效減緩了管內(nèi)壁氧化皮的脫落過(guò)程，至今多次開爐均未發(fā)生爆管事故。

（2）鍋爐啟動(dòng)中加強(qiáng)冷、熱態(tài)沖洗，嚴(yán)格控制冷態(tài)沖洗和熱態(tài)沖洗水質(zhì)指標(biāo)。要充分利用旁路系統(tǒng)進(jìn)行蒸汽系統(tǒng)的清洗，保證管內(nèi)氧化皮等雜質(zhì)被沖洗干凈，主要注意控制水質(zhì)中鐵和二氧化硅的含量。

（3）停爐過(guò)程中或者發(fā)生緊急情況，鍋爐事故處理急停，防止造成的溫度急劇變化，停爐后通過(guò)自然通風(fēng)冷卻，避免停爐后72h內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，受熱管壁溫低于250℃再開風(fēng)機(jī)通風(fēng)冷卻，防止?fàn)t內(nèi)過(guò)早冷卻引起氧化皮脫落。若事故跳機(jī)原因查明處理后，盡快點(diǎn)火、升溫升壓、并網(wǎng)、帶負(fù)荷，防止鍋爐受熱面溫度下降幅度過(guò)大。

（4）鍋爐運(yùn)行中嚴(yán)禁受熱面管壁溫度超溫。超溫是運(yùn)行中生成氧化皮的主要因素，運(yùn)行值班員在線監(jiān)測(cè)運(yùn)行過(guò)程中管壁溫度變化情況，盡量減少減溫水的使用、合理安排啟停磨順序、風(fēng)煙擋板，及時(shí)調(diào)整防止超溫，可以有效減緩管材劣化，減少氧化皮生成的量。

（5）采用逢停必檢，逢堵必處理的原則進(jìn)行管理，及時(shí)全面檢測(cè)高溫過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器、高溫再熱器受熱管道彎頭氧化皮堆積情況，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行割管清理、沖洗、吹掃，防止氧化皮堵塞爆管的發(fā)生，避免巨大的經(jīng)濟(jì)損失。