超超臨界機(jī)組鍋爐氧化皮問題及防治

謝燕雄+劉東月

摘 要：隨著近年發(fā)電機(jī)組容量的增加，不斷引入超超臨界機(jī)組，與此同時，新材料也開始應(yīng)用，對提高機(jī)組熱效率意義重大。但從實(shí)際來看，鍋爐運(yùn)行中易出現(xiàn)金屬氧化皮現(xiàn)象，造成爆管。因此，需加大鍋爐氧化皮問題的研究力度，并制定有效措施防治。

關(guān)鍵詞：超超臨界機(jī)組；氧化皮；問題；防治

中圖分類號：TK299.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）17-0124-02

近年來，鍋爐四管泄漏事故，一直都是影響發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的危險因素。數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，鍋爐四管泄漏停運(yùn)事故占機(jī)組非計(jì)劃停用事故的38.0%，少發(fā)電量占全部事故的50.0%，且隨著機(jī)組容量的增加、運(yùn)行時間的延長，從某種程度影響著發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。機(jī)組容量越大，溫度越高，就越容易出現(xiàn)氧化皮現(xiàn)象，造成鍋爐爆管泄漏。下面，本文將從以下幾點(diǎn)綜述超超臨界機(jī)組鍋爐氧化皮問題及防治措施。

1 氧化皮的危害

導(dǎo)致管子傳熱減弱，壁溫升高使氧化加劇；氧化皮層狀脫落，導(dǎo)致管壁變薄，強(qiáng)度下降；脫落的氧化皮堵塞管道，易導(dǎo)致爆管；對汽輪機(jī)通流部分造成顆粒度沖蝕，主再熱汽門易造成卡澀，關(guān)不不嚴(yán)，引發(fā)汽輪機(jī)超速事故。

2 超超臨界機(jī)組鍋爐氧化皮的產(chǎn)生

（1）氧化皮生成分布圖，如圖1所示。因鐵的氧化物種類相對較多，且能在不同條件下產(chǎn)生氧化物，使高溫、管材中的水蒸汽、鐵發(fā)生反應(yīng)：Fe+H2O→ +H2↑

（2）實(shí)際運(yùn)行中，鍋爐投入運(yùn)行初期所產(chǎn)生的蒸汽中有著大量氫，但隨著鍋爐運(yùn)行時間的延長，將逐漸降低氫含量，該現(xiàn)象表明金屬表面已形成氧化皮。可以說，金屬氧化屬于自然現(xiàn)象，開始時的氧化速度快，一旦形成氧化皮，將減緩氧化過程。實(shí)踐證實(shí)，當(dāng)Fe3O4溫度高于450℃時，因各種因素作用，無法形成相對密集的保護(hù)膜，導(dǎo)致鐵、水蒸汽不能發(fā)硬；目前機(jī)組主汽溫度提高至600℃、再熱汽溫達(dá)620℃，根據(jù)研究500℃-700℃氧化性達(dá)到最大，當(dāng)金屬壁溫>570℃時，F(xiàn)e、Cr離子外滲，加劇氧化，會生成FeO，加快反應(yīng)速度；而FeO晶格缺陷多，結(jié)構(gòu)疏松，一旦氧化皮厚度超過一定程度，將造成氧化皮脫落。

（3）影響氧化皮生成速度因素：1）溫度越高，氧化皮生成速度越快。2）材料的抗氧化性好，氧化皮生成速度減慢。氧化皮生成曲線，如圖2所示。

3 鍋爐氧化皮的防治措施

3.1 合理選材，優(yōu)化調(diào)整，減緩氧化皮生成

（1）大容量高參數(shù)機(jī)組選用高Cr含量系列的奧氏體鋼，18%Cr系列常用牌號有TP304、SUPER304、TP347H種；20%-25%系列常用牌號主要是HR3C；另外高Cr高Ni材料主要為SAE25型；（2）選用金屬材料晶粒越細(xì)，抗氧化性能越好；（3）表面處理技術(shù)，目前針對汽溫600℃、620℃高參數(shù)鍋爐中使用SUPER304、HR3C鋼進(jìn)行噴丸處理，許用溫度可以提高至670℃、700℃。（4）嚴(yán)控超溫，減緩氧化皮的生成，鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，需密切監(jiān)測鍋爐蒸汽溫度的變化情況，并適當(dāng)調(diào)整燃燒，首先清楚鍋爐兩側(cè)的溫度差，禁止鍋爐在超溫狀態(tài)下運(yùn)行，通過燃燒的調(diào)整，保證鍋爐運(yùn)行時蒸汽溫度處于可控范圍內(nèi)，一般而言，溫度差不能超過5度、10度。同時，還需根據(jù)溫度高點(diǎn)來把控蒸汽溫；在任何情況下，尤其是低負(fù)荷狀態(tài)下，需保證水冷壁有著質(zhì)量足夠的流動速度，這樣能有效預(yù)防傳熱惡化引發(fā)的類膜態(tài)沸騰現(xiàn)象。（5）加氧運(yùn)行。實(shí)踐證實(shí)，超超臨界機(jī)組加氧運(yùn)行中，會在金屬管道表面形成不易脫落的氧化膜，以減緩氧化皮的脫落。一般來講，加氧運(yùn)行是否成功，和這幾個方面相關(guān)：第一方面，加氧運(yùn)行前需徹底清除管道內(nèi)壁腐蝕物、氧化皮；第二方面，強(qiáng)化鍋爐水質(zhì)的把控。（6）機(jī)組投入運(yùn)行前，需進(jìn)行鍋爐內(nèi)壁的清除處理，比如：使用絡(luò)酸鹽溶液在300度的條件下循環(huán)2天，這樣能在鍋爐內(nèi)壁表面形成一層強(qiáng)有力的保護(hù)膜。該氧化膜能預(yù)防氧氣擴(kuò)散，降低金屬的氧化速度。并且，還能穩(wěn)定其化學(xué)性質(zhì)，防止氧化皮剝落。

3.2 加強(qiáng)受熱面檢查、管理

（1）超溫是導(dǎo)致金屬出現(xiàn)氧化的主要因素，而鍋爐超溫又是熱偏差引起的，發(fā)生原因和鍋爐不均衡燃燒、空氣流動異常、受熱面結(jié)焦、氧化層厚度基礎(chǔ)不均勻等相關(guān)。針對這種情況，可增加鍋爐壁溫度測量點(diǎn)，針對易超溫的管段，也可增加壁溫點(diǎn)，保證其全面、合理的布置，以清晰、直觀的反映各管段壁溫情況。在屏式過熱器中至少每隔2-3屏應(yīng)設(shè)一測點(diǎn)，對流受熱面每隔一米左右設(shè)置一測點(diǎn)；為了加強(qiáng)全面管理和監(jiān)測應(yīng)全屏加裝測點(diǎn)更有利于受熱面的全面監(jiān)管。（2）超超臨界機(jī)組由春檢、秋檢過渡至狀態(tài)檢修是當(dāng)前電力企業(yè)的發(fā)展趨勢，故強(qiáng)化鍋爐受熱面管理是預(yù)防鍋爐氧化皮形成的關(guān)鍵措施。這就要求發(fā)現(xiàn)溫度異常后，及時調(diào)整燃燒，以預(yù)防超溫現(xiàn)象，抑制氧化皮形成。日常工作中，鍋爐運(yùn)行人員需認(rèn)真、詳細(xì)的執(zhí)行吹灰制度，密切監(jiān)視煤粉細(xì)度，并及時檢查燃燒器著火。另外，機(jī)組運(yùn)行時，還需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整層磨煤機(jī)臺數(shù)配合，以更好降低鍋爐出口溫度。

3.3 限制溫度變化速度，控制剝落

據(jù)有關(guān)研究說明金屬管壁氧化皮厚度達(dá)到0.1mm時容易脫落，超超臨界機(jī)組啟動時，因運(yùn)行狀態(tài)的變化，極易使鍋爐過熱管壁溫度變化，導(dǎo)致氧化皮、金屬材料的膨脹量存在較大差距，造成金屬熱應(yīng)力過度變化，氧化皮脫落；冷熱交替也是造成氧化皮脫落的因素，故機(jī)組運(yùn)行、啟停時，需嚴(yán)格把控溫度及變化率是有效減緩氧化皮的剝落。

（1）正常運(yùn)行，過熱器出口蒸汽溫度偏差≤±5℃；屏式過熱器出口蒸汽溫度偏差≤±10℃；再熱器蒸汽溫度出口蒸汽溫度偏差≤±10℃；升降負(fù)荷速率不超過10MW/min（且維持汽溫波動<5℃）。（2）啟動過程中：并列前的溫升速度控制不高于3℃/min；并列后的溫升速度控制不高于2℃/min；熱態(tài)啟動時35%BMCR風(fēng)量吹掃5min后立即點(diǎn)火。機(jī)組啟動低負(fù)荷狀態(tài)下先不使用磨煤機(jī)，而用油槍，這樣能減少溫度波動，隨著負(fù)荷量的增加，蒸汽流量將趨于最大，這時再投入減溫系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)，不但能使蒸汽溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)，還能從根本上預(yù)防氧化皮剝落。（3）停運(yùn)過程中：正常滑停蒸汽溫度變化率不高于2℃/min；緊急停機(jī)爐膛通風(fēng)10min后立即停止送引風(fēng)機(jī)并關(guān)閉風(fēng)門擋板鍋爐密閉；確保冷卻時降溫速率不大于3℃/min，減緩壁溫的冷卻時間，從減緩氧化皮的剝落。

3.4 及時清理

可選用專用的檢測儀器對彎頭部位進(jìn)行現(xiàn)場的檢測處理，確認(rèn)垂直管道底部彎頭處是否出現(xiàn)氧化層碎片堆積現(xiàn)象，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行割管清除處理；與此同時，評估管材壽命，及時更換嚴(yán)重氧化的管材。

針對已形成的氧化皮，可借助化學(xué)方法徹底清除。當(dāng)氧化皮的厚度在0.1mm以上時，可優(yōu)先化學(xué)清洗，清洗液以乙酸為主，清洗時間為12小時。每次清洗時，盡最大限度的去除鍋爐氧化皮，禁止出現(xiàn)殘留物留在管道彎頭現(xiàn)象。

啟動期間應(yīng)盡快投入合適的旁路系統(tǒng)，并提高蒸汽流量，從某種程度上增強(qiáng)蒸汽的攜帶能力，對過熱器、再熱器受熱面氧化皮的沉積物進(jìn)行吹掃清除。

4 結(jié)語

超超臨界機(jī)組鍋爐受熱面氧化皮產(chǎn)生、剝落原理相對復(fù)雜，氧化皮的產(chǎn)生危害也比較大，從某種程度上降低機(jī)組運(yùn)行效率。因此，鍋爐制造廠、發(fā)電廠，需格外重視鍋爐氧化皮的產(chǎn)生因素，并強(qiáng)化機(jī)組檢修、運(yùn)行的管理力度，以減緩氧化皮形成、剝落速度；機(jī)組停運(yùn)后強(qiáng)化過熱器、再熱器的現(xiàn)場檢測，及時清除管內(nèi)堆積的氧化皮脫落物，消除爆管、超溫等安全隱患。另外，鍋爐制造廠還需在選材、設(shè)計(jì)時重視金屬氧化皮，制定行之有效的防治措施，以在預(yù)防因高溫氧化皮形成造成停運(yùn)事故的同時，提高機(jī)組的運(yùn)行效率。

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