火電廠鍋爐金屬氧化皮剝落問題及防范措施研究

王佩亮

摘要：隨著我國發電技術的發展，大容量、高參數火電機組大量投入使用。然而，對于超臨界和超超臨界火電機組來說，爐管氧化皮脫落是一個普遍存在的問題，由于氧化皮脫落堵塞而造成的鍋爐爆管事故也成為近年來火電廠鍋爐運行發生概率最高的事故類型。因此，探討鍋爐氧化皮脫落的原因并提出針對性的預防措施，對提高電廠運行的安全經濟性有極大意義。

關鍵詞：火電廠鍋爐；金屬氧化皮剝落；防范措施

1 緒論

近些年，我國電力建設取得迅速發展，因為大容量超臨界機組具有環保能力強、排污少、煤燃燒效率高等優勢，所以近些年保持著高速增長，該機組也更好契合我國提升能源效率的未來發展方向。該機組容量相對較大，而且蒸汽參數持續增長，新型的耐熱鋼憑借著強度高，抗蒸汽氧化性能佳等優勢，在過熱和再熱裝置的高溫受熱面領域都得到了廣泛應用。在鍋爐使用時間不斷增長的環境下，鍋爐會出現不同程度的金屬氧化皮剝落問題，這樣，就很容易將鍋爐的管道產生堵塞效應，這樣，就會對整個系統帶來巨大的威脅，不僅容易導致爆管問題，嚴重之時，還會對閥門、葉輪等相關組件帶來顯著的破壞性，蒸汽水的品質也會受到極大的負面影響。因此，防范該氧化皮的脫落，就成了強化鍋爐安全的關鍵措施，而這也是當前增強火電廠生產安全性的一個重要研究內容。

2 氧化皮形成及剝落的機理

1929年，德國科學家Schikorr發現，金屬在高溫水汽之中，容易伴生氧化效應，而其中的氧氣，就是水汽中的結合氧，和其溶解的氧沒有關聯性。到了上世紀七十年代，德國科學家進一步通過顯微鏡來進行觀察，進一步得出鐵元素和水汽直接反應，進而生成相應的氧化物，其反應式如下：

3Fe+4H2OFe3O4+4H2

在具體生產環節，電站鍋爐在投產之初，其中蒸汽中的氫元素具有較高的含量，這說明了上述的反應方程式具有正確性。隨后不久，該氫氣含量又會隨之下降，這也表明金屬表面所存在著的致密性氧化皮開始形成。而這所需要的時間，不會超過20h。另外，經過計算，水中所溶解的氧氣難以為這種反應提供更多的氧元素，這也進一步反應直接出現上述反應的正確性。金屬在蒸汽環境中，構成氧化皮屬于自然過程，在初期，氧化皮的生成相對快速，然而，一旦形成，那么氧化反應速度就會顯著下降。另外，在初期，氧化皮結構具有顯著致密性，通常屬于雙層膜結構。它能夠進一步阻礙氧化反應。如果環境因素交叉，比如存在著超溫，或者壓力波動，這樣，金屬的雙層膜氧化皮，就會進一步演化成多層膜氧化皮結構，而隨著該氧化皮厚度的不斷提升，最終就容易出現脫落。而最容易出現脫落的區域為U型立式管上部，其中出口端表現的更為突出。因為該區域有著較高的溫度，而且皮層厚度更為突出。再加上該部位還會承受自重，因此拉應力更大。當溫度顯著變化之時，該部位的拉伸水平就會隨之改變，再加上熱脹系數之差，就會讓氧化皮和金屬體之間出現松動，進而使之該部位的氧化皮更容易被剝落。

3 影響金屬氧化皮的形成及剝落的因素

3.1 影響金屬氧化皮的形成因素

相關實驗顯示，在超溫環境之下，金屬材料自身屬性是導致出現氧化皮的關鍵原因。第一，超溫環境的影響。在火電機組運行期間，鍋爐受熱表面的氧化層厚度為漸漸提升。而管壁在超溫環境之下，過熱和再熱裝置的表層氧化皮會加速變厚。第二，材料所帶來的影響。材料不同的氧化層，其抗剝落能力會有著顯著差異，所以，材料的科學選擇就顯得極為重要。如果在鋼材中適當摻入一定量的鉻，那么抗氧化性能就會隨之提升，當前，SA213T23＼＼ T91＼＼TP347H這三種鋼材，第一種抗氧化溫度較低，而后兩種則相對較高。

3.2 影響金屬氧化皮剝落的因素

研究顯示，金屬氧化皮剝落，會受到不同因素的差異化影響，除了物性參數之外，還和氧化皮厚度以及溫度的動態變化有著顯著關聯性。對于前者而言，當氧化皮增長至一定厚度之后，其中不銹鋼超過0.1毫米，鉻鉬鋼厚度處于0.2至0.5毫米之間，此時，如果溫度動態變化顯著，那么就容易激發氧化皮脫落。另外，隨著氧化皮厚度的不斷提升，其彈性也會隨之下降。而針對溫度的變化，當機組在停機和開啟之時，溫度、負載和壓力等都會出現顯著變化，此時的氧化皮也更容易出現脫落。國外的600兆瓦的超臨界寄主，在其主蒸汽管道中，利用等速采樣系統對其啟停和滿載這幾個不同環境進行測試，總結了三百多份蒸汽樣本。結果顯示，在開啟和停機階段，同體顆粒濃度要比正常環境下高出二至三個數量級，這也表明氧化皮剝落在啟停階段更為嚴重。

4 金屬氧化皮剝落規律分析及防范措施

4.1 減輕金屬受熱面超溫

對煤粉吸毒，燃燒裝置結構等部件進行相應的調整，進而對其燃燒條件進行優化。可以在爐膛區域，引入吹灰裝置，并對燃燒裝置進行優化，進一步擴展鍋爐的受熱面，并為再熱裝置上的部分管屏之上，配置相應的絕緣材料，最后對受熱面的通道加以優化，其目的就是防范金屬受熱面的溫度，從而最大限度控制氧化層產生。

4.2 優化鍋爐啟停參數

在火電廠鍋爐啟停環節，主要是對其參數進行相應的優化，譬如，提前引入旁路系統，然后在啟動鍋爐時，伴隨該旁路系統的啟動，這樣，固體顆粒對汽輪裝置的沖蝕效應就會顯著下降，同時對啟停參數加以優化，將制粉系統的運行進行適當的延遲，將低負載運行環節進行縮短，從而實現氧化層適當的降低。

4.3 母材及結構優化

應用具有更高抗氧化性以及許用溫度的T22鋼材來制作受熱面。從原材料角度來對其展開優化，對那些容易超溫的管材零部件，加以更換。借助于給水加氧，對金屬氧化皮進行處理，讓氧化皮上的四氧化三鐵轉換成穩定性更強的三氧化二鐵進行覆蓋，這樣就能提升該氧化皮穩定性。此外，針對受熱面還可以鍍上鉻元素，并進行適當的化學清洗，最大限度降低該氧化皮厚度。另外還需要從鍋爐結構角度展開設計，這同樣也會降低該氧化皮的厚度，譬如，將噴嘴結構、主氣閥門等結構進行優化等。

4.4 建立嚴格規范的檢修制度

當前，針對金屬氧化皮的處理，并沒有全面的消除方式，因此，還需要從管理視角，構建和執行定期抽檢和檢查制度，對現場管理水平加以提升，從而更好的提升設備的安全運行水平。

參考文獻：

[1]曹燁.火電廠鍋爐氧化皮脫落的原因分析與預防措施[J].工程技術：引文版，2017（1）：289.