超臨界機組高溫受熱面氧化皮脫落導致爆管研究分析

毛亮

摘要：在鍋爐的使用過程中必須要經受高溫的考驗，然而在實際的使用過程之中卻經常發生高溫受熱面出現氧化皮脫落導致的爆管現象。臻能熱電廠2016年發生了兩起在運行中高溫受熱面爆管而導致的非計劃停用事件。經最終分析爆管原因均為高溫受熱面管束金屬氧化皮脫落、堆積、造成管壁短期超溫引起。本文通過對氧化皮的生成機理、影響因素等，分析提出了減緩高溫受熱面氧化皮生成速度及防范措施，以提高機組運行的安全可靠性。

關鍵詞：超臨界機組；奧氏體；氧化皮剝落；防范措施

中圖分類號：TM6

文獻標識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0074-02

1.爆管事件簡介

臻能熱電廠鍋爐為超臨界參數變壓直流本生爐，型號DGl920/25.4-II6型；一次中間再熱、單爐膛、尾部雙煙道結構、再熱汽溫采用煙氣擋板調節；固態排渣，全鋼構架懸吊結構、平衡通風。燃燒器采用外濃內淡型低NOx旋流式煤粉燃燒器，前、后墻各布置18只，分上、中、下三層布置，共36只；組成前后墻對沖燃燒；點火采用等離子系統。屏式過熱器沿煙氣方向分前、后2組。每一組沿爐寬方向布置15屏，共30片，每片屏由22根管子繞成；高溫對流過熱器沿爐寬由32片，每片管屏由20根管子并聯繞制而成，屏式過熱器及高溫過熱器受熱面金屬均為TP347H材質。2016年5月機組運行中屏式過熱器出現泄漏。打開人孔檢查后發現屏過第3圈出口段管發生爆漏，爆管向上變形并扭轉繞第1至20管圈出口段環成一圈。造成部分圈管入口段、出口段吹損。爆漏點位于出口段彎頭附近，爆口較大成魚嘴狀邊緣粗鈍、管壁未見減薄、存在少許平行于管子軸線的裂紋，呈現出明顯的過熱爆管特征，如圖1所示。對出口直管段割管檢查發現：管子內壁存在氧化皮，厚度約0.35mm并存在剝落現象。入口直管段也存在鼓包現象，管徑由45ram脹粗為59.3mm，如圖2所示。

2.氧化皮生成機理及結構危害

2.1氧化皮生成結構

臻能熱電廠高溫受熱面金屬材質均為粗晶奧氏體不銹鋼TP347H。奧氏體不銹鋼特指含有適量鎳、鉻12%，晶體結構呈面心立方體的鐵基合金。奧氏體不銹鋼在高溫高壓下發生氧化反應而形成的氧化產物稱為氧化皮，氧化皮經物相分析其成分主要是FeO、Fe₃O₄、Fe₂O₃、Cr₂O₃、MnO·Fe₂O₃、MnO-Cr₂O₃和NiO·Cr₂O₃等氧化物。對氧化皮橫截面進行金相分析可以發現TP347H奧氏體不銹鋼的氧化層為兩層結構，外層氧化皮結構疏松并有空洞形成，保護作用較弱容易脫落；內層致密有較好的保護性。內外層結合不是很緊密，隨氧化時間的延長，金屬管壁溫度在某個溫度段溫度的升高，內外氧化層生成速度逐漸增加。當氧化皮厚度達到剝離臨界厚度并在溫度壓力大幅度波動時，由于管道母材與氧化皮之間的熱膨脹系數差異大，會產生一定的熱應力，從而導致氧化皮很從管道本體上剝離。

2.2氧化皮的危害

1）脫落的氧化皮容易集中在u型管受熱面的底部彎頭處，阻礙了管道內蒸汽的流動，使管道產生鼓包現象或超溫爆管而非計劃停機。

2）氧化皮的熱阻較大，會引起受熱面壁溫上升加速管道金屬蠕變，影響管材壽命。

3）剝落的氧化皮隨蒸汽進入汽輪機，會造成機組主汽閥、調閥、葉片、噴嘴等部件的損傷。

4）剝落的氧化皮會對凝結水水質造成污染，使機組蒸汽品質下降。

3.事件原因分析

3.1對爆管管道進行材質分析

爆管管材作光譜半定量分析如表1所示。

通過檢測認為爆管材質均符合設計要求。由于剛開機不久發生了此次爆漏且位置位于管屏下部彎頭附近，呈現出典型的短時過熱爆管特征。故經分析認為：氧化皮等異物阻塞造成管子內蒸汽流量降低，引起管壁超溫是此次爆管的主要原因。

3.2事件暴露出的問題

本機組鍋爐屏式過熱器出口段采用的材料為不銹鋼TP347H，該鋼種屬于粗晶粒奧氏體耐熱鋼，在開、停機及運行工況變化等情況下，蒸汽側會產生氧化層剝落，同時超臨界機組受熱面管內徑普遍較小，異物容易在彎頭部位堆積、堵塞造成過熱爆管。

4.整改及防范措施

4.1高溫過熱器更換管材選擇

本廠采用的粗晶奧氏體耐熱鋼材在同類型機組中普遍存在氧化皮脫落問題，后期大修期間可視高溫受熱面爆管情況決定是否更換管材，如需更換則建議選用適用與超超臨界機組的細晶奧氏體TP347HFG鋼材或者對管道進行噴丸、鍍鉻處理以提高抗氧化性。

4.2開停機時嚴格控制溫度變化

1）嚴格控制鍋爐升溫升壓速度，在升壓開始階段，到滿足沖轉參數前，飽和溫度上升速率不超過1.0°C/min。

2）機組啟動期間嚴格進行冷、熱態清洗，冷態沖洗達到下列指標：電導率<1us/cm、Fe³⁺<100ug/L、siO₂，<30ug/L、pH值9.3～9.5；熱態沖洗達到下列指標：分離器儲水罐排水Fe³⁺≤50p g/L。

3）嚴格控制汽溫大幅波動及超溫運行：主汽溫調節以控制水煤比為主，一、二級減溫水為輔助，外加提前修正中間點修水來控制；再熱汽溫調節主要是通過布置在低溫再熱器和省煤器后的平行煙氣擋板來實現，正常情況下是通過煙氣調節擋板來調節再熱器汽溫，緊急事故工況、擾動工況或其他非穩定工況可采用事故噴水調節，另外，在低負荷時還可以適當增大爐膛進風量，作為調節的輔助手段。

4）停爐后要嚴格控制爐膛各蒸發受熱面的冷卻速度，除緊急事故搶修外，禁止對鍋爐進行強制冷卻。停爐后要對鍋爐進行熱爐放水，防止u型管道底部氧化皮被凝結水浸泡而聚集成核狀堵死流通截面。

4.3開機過程中采用汽機旁路吹掃部分氧化皮

臻能熱電廠汽機旁路采用高壓和低壓兩級串聯的旁路系統，其中高壓旁路容量為40%BMCR，在每次開機時，利用該旁路系統將過熱器、再熱器管內的氧化皮沖到凝汽器中，減少爆管和汽輪機葉片的顆粒侵蝕。但考慮到實際操作過程中蒸汽吹掃系數偏低，可以通過降低吹掃蒸汽壓力提高蒸汽溫度及比容來增加吹掃蒸汽動量或者增加吹掃次數擬補達到較好效果。吹掃蒸汽參數選擇參照調試階段吹管參數，開始吹掃蒸汽壓力穩定在5.OMPa～6.5MPa之間，吹掃結束壓力3.OMPa～4.0MPa。吹掃效果可通過化驗凝結水含鐵量判斷。如果有氧化皮剝落物進入凝汽器，必然會使凝結水的含鐵量增加。經多次吹掃后凝結水的含鐵量恢復正常值，則說明吹掃可以完成。吹掃過程中需及時聯系化學人員加強對凝結水水質化驗。

4.4開停機后可采取以下處理方案

1）在運行中加強對溫度偏高管段的監控，利用停機機會盡可能的對該管道進行透視/磁性或割管內窺檢測，盡早發現異物，避免管子堵塞。

2）如發生爆管應對爆口做金相檢查，檢查組織變化，爆口管段做氧化皮堆積檢查；對爆口周圍管束進行逐一排查。

3）大、小修或停機3天以上對各過熱器進口集箱進行檢查，排查堵塞物。如進口集箱無法排查到異物則擴大至出口集箱。

4）對爐內各受熱面進行宏觀檢查是否有脹粗變形情況。

5）建議熱工人員創造條件在屏式過熱器管爆口段增加溫度測點。

5.結論

對于超臨界機組高溫受熱面氧化現象和氧化皮的產生問題是普遍及客觀存在的。氧化皮的生成只能通過各種預防措施去減緩而不可以避免，所以如何防止氧化皮堆積及減少對機組傷害是解決此問題的核心。臻能熱電廠#7機組爆管問題最終經公司領導召集鍋爐專業技術人員，邀請廣東電科院、廣東電研中心專家等召開專題會議分析原因、討論處理方案并采取了可行性措施后取得了較大成效，到目前為止尚未再次發生類似事故。