火電廠鍋爐氧化皮問題原因分析及預防措施

董 燦

（廣東粵電靖海發電有限公司，廣東揭陽 515223）

0 引言

氧化皮，顧名思義就是受熱面管內在高溫下金屬材料與氧反應生成的一種或多種氧化物，像一層皮一樣附著在內外管表面故稱之為氧化皮。它是基材為Fe的管材表面在高溫下和與其接觸的蒸汽或者空氣中的氧氣氧化而形成的物質，主要成分從內向外分別為：氧化亞鐵（FeO）、四氧化三鐵（Fe3O4）、三氧化二鐵（Fe2O3）。其中 Fe3O4，Fe2O3結構致密，硬度高，附著性好，保護性強，而氧化亞鐵結構較為疏松，保護作用較弱。

1 氧化皮產生原因

廣東粵電靖海發電有限公司600 MW鍋爐為東方廠制造的超臨界變壓本身直流爐，設計高過出口主蒸汽溫度571℃，高再出口569℃。管材材料方面低溫管段如省煤器和螺旋水冷壁分別采用SA-210和SA-213T2，稍高溫度等級管段如低溫過熱器和再熱器基本為15CrMoG和12Cr1MoVG，更高溫度等級的屏過高過和高再則采用SA-213T91以及SA-213TP347H等材料，為了增強抗腐蝕抗拉應屈服和抗高溫變形能力，無論添加什么樣的稀有元素，占絕大多數的基本材料仍然為鋼鐵，就是Fe。在高溫環境下，管壁外部為充滿煙氣（含氧）的高溫爐膛或者煙道，管內流通高溫水蒸汽或者干燒空氣（摻氧），這種環境下管材表面會被氧化反應而生成Fe2O3，如果變工況啟停等壓力溫度波動多少會導致受熱面基本材料和氧化皮膨脹不同步，氧化皮會逐步產生裂紋，更深層次接觸氧的機會相對少會逐步氧化生成Fe3O4，再里層則生成氧化不夠充分的FeO，這就是氧化皮的基本成分。查閱資料，這種氧化反應一般在溫度達到（560～600）℃時反應相對活躍，對應為屏過高過和高再區域，正好也是氧化皮產生和脫落的高發區。

2 氧化皮脫落、堵塞原因

一般只要反應條件具備，化學反應都在進行，如果有催化劑存在時，反應速度還會更快。因此持續運行時，鍋爐管壁內外表層都在持續產生氧化皮，氧化皮的厚度以先快后慢的速度在不斷增加，在鍋爐頻繁啟停和變負荷、調整不當時，管材內外溫度都在大幅度變化，尤其是外管壁，氧化皮會在拉伸擠壓的作用下裂開甚至脫落。在內管壁，由于管徑小，加上靠近管壁粘滯阻力的影響，脫落的氧化皮最容易沉積在某些U形管處比如高過高再管屏的U形底部區域，久而久之就會造成內管通流減少甚至完全堵塞。

3 氧化皮脫落堵塞的危害

脫落氧化皮，就等同于剝離了一部分基本的管材材料，必然導致這些脫落區域的管材變薄，偏離了設計的運行環境，必然導致管材不再能夠安全承受許可的工況變化帶來的壓力溫度等的波動。另一方面，氧化皮的脫落等于失去了外部的保護屏障，導致裸露出的基本材料面臨一次先快后慢的氧化過程，形成了氧化—脫落—氧化—脫落這樣一個惡性循環。再者，在內管壁，不管是運行中的脫落還是鍋爐停爐受冷后引起的脆變脫落，都很容易集聚在相對容易凝結水汽的U形管等彎折部位，啟動初期蒸汽壓力低流量低無法有效吹走，增厚后即使正常運行高壓力下也無法有效帶走，層層疊疊最終堵塞管道甚至堵死，一旦堵塞管道，蒸汽就無法有效通過吸熱帶走熱量，同時堵塞部位管材變厚造成熱量傳遞變慢變差，疊加效果就是管壁尤其是外管壁金屬溫度逐步上升甚至超出設計的允許溫度，管壁脹縮超出允許范圍而爆裂，即使暫時不爆管后期也絕對存在爆管的可能。汽輪機運行中高速旋轉，氧化皮塊不僅容易集聚在調閥等節流部位造成主汽門、高調、中聯閥等卡澀動作遲緩，該開開不了，該關關不下去，一旦進入汽輪機輕者通流部分附著結垢，嚴重的很可能打擊損傷葉片，影響汽輪機的安全穩定運行。大量的氧化皮如果是在啟動初期走旁路大量進入凝汽器，還會造成凝結水質變差，相關濾網堵塞等可能的后果。

4 從運行和檢修角度預防鍋爐受熱面氧化皮脫落

4.1 鍋爐啟動時嚴格控制蒸汽升溫升壓速度

機組冷態啟動時，應嚴格按照規程規定的升溫升壓曲線進行，溫升率控制在（1.5～2）℃/min，壓升率控制在（0.1～0.2）MPa/min，點火初期蒸發量，應及時投入煙溫探針控制爐膛出口煙溫，防止一二次氣區域管材內外壁升溫過快甚至超限，與單純的煙氣畫面的測值相比更能直觀反應爐膛熱負荷的急劇升高情況；當主蒸汽溫度達到120℃逐步開啟高低旁后，應逐步調整高低旁配合燃水控制主再熱氣壓氣溫的升速，整個過程需要精心調整穩步進行，直至沖轉條件滿足。

機組熱態啟動時，應在啟動風煙系統檢查正常后盡快調整風量至35%～40%的低風量盡快吹掃點火，過大的風量較長的時間拖延只會達到適得其反的強冷效果，造成管壁金屬溫度急劇下降。

4.2 嚴格監控爐水汽品質

有如病從口入，在起停機和正常運行中，應加強對汽水品質的監視，給水質量不良特別是水中含氧量較大時，會造成省煤器和水冷壁等受熱面的有氧腐蝕，溶入蒸汽的氧更會在過熱器和再熱器區域繼續氧化相關受熱面。鍋爐點火后，應嚴格執行熱態清洗中的水質檢查項目，由于水中的沉積物在190℃時達到最大，因此升溫至190℃（頂棚出口）時應進行水質檢查，檢測水質時停止鍋爐升溫升壓。

4.3 啟停及正常運行中嚴格控制受熱面金屬溫度不超溫、不急升急降

啟動過程中，煤水控制格外注意，任何時候都要勤于調整給水，適應壓力調門變化帶來的流量變化，維持分離器過熱度盡量穩定或小幅度變化，最終是為了減少氣溫氣壓波動幅度，特別是在并泵、干濕態轉換、啟停磨、開關調閥等關鍵點應格外注意氣溫氣壓的穩定，并時不時翻看管壁金屬溫度變化情況。

啟爐初期和停爐末期，過熱汽和再熱汽溫控制應謹慎使用減溫水，因為蒸發量不夠產氣量很少很容易在減溫器區域積水，若該區域有氧化皮脫落沉積的話更容易粘結。轉正常運行后，汽溫調整也應提前、小幅度進行，杜絕大開大關。

正常運行后，應盡量保持高過（高溫過熱器）高再（高溫再熱器）出口氣溫在設計額定值附近，高過高再出口控制在（555～575）℃，受熱面金屬溫度控制屏過（屏式過熱器）＜580℃，高過高再金屬溫度控制＜590℃，若管壁溫度測點異常時，應結合其他參數立即確認測點真實性，避免誤判而管壁長時間超溫。加強定期吹灰，保持受熱面外壁清潔。在確認受熱面超溫后，應立即采取增投吹灰或則減負荷的方式緩解。啟停制粉后合理分配的情況下，應及時反向調整已運行制粉系統中的上層，避免大幅度增加或減少引起的氣溫突升突降。

4.4 其他

盡量減少鍋爐有意的強冷，MFT停爐后應立即適當降低風量保持風煙系統運行（5～8）min吹掃后即停運送引風機，避免長時間進行通風冷卻。如若時間緊，需要進入爐膛檢修等特殊操作而安排強冷時，必須限制自然和強制通風的時點和要求。嚴格執行停爐前的保養，利用加藥鈍化形成保護膜，悶爐烘干排出濕氣后密閉保養。

4.5 檢修

利用停備或檢修時間進行管材檢查，確定內部沉積氧化皮的可采取吹管、酸洗，必要時割管清理。總之，既然是“皮”，自然就是有別于原來的基本材料（簡稱基質），只不過是附著在表層而已，位置可能是內表面也可能是外表面，尤其是內表面多種因素作用下氧化皮就有脫落的可能，堆積過多必然造成管內通流面積下降、堆積部位變厚引起的換熱變差，管壁超溫，甚至爆管。未沉積的細小氧化皮塊甚至有可能隨汽流進入高速旋轉的汽輪機，損傷汽輪機葉片，這些都是氧化皮不可小覷的附加危害。當然，氧化皮也有一定益處，受熱面管內形成氧化皮，如同衣服一般保護肌體，延緩減少深層次的基質再次被氧化的趨勢，一定程度上延長了鍋爐受熱面管材的使用壽命，保證了鍋爐的安全運行。從產生的基礎環境來說，氧化皮是一定會產生的；從危害性角度來說，氧化皮一旦脫落，帶來的危害性也是巨大的，尤其是對于使用有一定年限且運行中長期高頻調峰的機組而言，氧化皮的脫落是大概率事件，不能不面對其可能帶來的危害性。因此必須要從深層次分析其危害性，尤其是從運行角度探討和思考如何更加規范調整水平，最大限度地穩定氧化皮減少脫落可能。