超臨界機組電站鍋爐氧化皮脫落的分析與防治

摘 要：爐管氧化皮脫落在超臨界機組中是一個比較普遍的問題。近年來因氧化皮脫落堵塞已造成多起鍋爐爆管事故。因此對氧化皮的分析和研究具有非常重要的意義。為控制此類事故發生，減少火電廠經濟損失，本文主要對機組運行中爐管氧化皮脫落的原因分析，并在此基礎上提出針對性的預防和治理措施。

關鍵詞：爐管氧化皮脫落；超臨界；防治措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.191

1 氧化皮問題的研究背景和意義

近年來，隨著超臨界機組已成為我國火電市場的主力機型，爐管氧化皮脫落已成為火電機組越來越嚴重的問題，在高溫高壓環境中，鍋爐蒸汽管道金屬和高溫蒸氣發生氧化作用，形成的氧化皮隨著機組參數變化脫落并堆積在彎管處，就會導致彎管爆破事故。分析鍋爐氧化皮脫落的原因并得出有效的防治措施，對超臨界機組鍋爐的安全運行至關重要。

2 氧化皮的危害

由于金屬材料在高溫下可直接和水汽本身的結合氧發生高溫氧化反應，金屬高溫氧化的結果是在金屬表面產生一定厚度的氧化皮，鍋爐過熱器、再熱器和主蒸汽管道等部位高溫氧化皮若發生剝落，會產生以下問題：（1）氧化皮在管屏彎頭下部易發生堵塞（圖2），造成高溫受熱面金屬管壁超溫，嚴重時導致機組被迫停運。

（2）氧化皮大量脫落造成爐管壁厚變薄、強度降低最終引起爆管。

（3）氧化皮是堅硬的固體顆粒，從鍋爐高溫受熱面以及高溫蒸汽管道脫落下來的氧化皮，會對汽輪機高/中壓缸的動葉、噴嘴造成嚴重沖蝕，給主汽閥、旁路閥閥座和閥芯造成嚴重損傷（圖3），葉片損傷嚴重時必須更換[1]。

（4）造成主汽閥和調節閥卡澀，閥門操作遲滯，改變了閥門的調節特性。

（5）為了減緩氧化皮脫落，被迫降參數運行，犧牲了機組的經濟性。

由此可見，氧化皮脫落會導致機組運行的安全性、可靠性及經濟性均大幅降低，給超臨界機組鍋爐的長期穩定運行帶來很大安全隱患。

3 氧化皮形成剝落分析

3.1 氧化皮的形成

氧化皮是金屬與高溫蒸汽發生氧化的產物。當蒸汽溫度低于570℃時候，氧化產物是由致密的，Fe2O3和Fe3O4組成，從而避免鋼材其進一步氧化；當蒸汽溫度高于570℃時，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和FeO層組成（FeO在最內層），FeO為主要組成物，因FeO結構較為疏松，造成氧化膜不夠穩定[2]（圖4）。

3.2 氧化皮生成的影響因素

氧化皮形成與溫度、時間、氧含量、蒸汽壓力和流速、鋼材成分、氧化皮成分等有關。一般認為：溫度愈高、時間越長、高溫蒸汽流速越快氧化皮生成越快[3]。由圖5可見，當蒸汽管道在1075K（580℃）下運行15萬小時后金屬氧化皮厚度將達到30mils（0.762mm），而當管道在1150K（620℃）下運行3萬小時后氧化皮厚度就可達到30mils（0.762mm）。由此可見，金屬超溫運行大大促進了氧化皮的生成。由圖6可見，在同樣的運行溫度下，氧化時間越長，氧化皮生成量越多；同樣的運行時間下，運行溫度越高，曲線越陡，氧化皮生成量也越多。

鋼中加人Cr、AI、Si等元素，可以在爐管表面形成一層堅固致密的氧化膜，使鋼材的抗氧化性提高。實踐證明在600～700℃條件下，Cr含量在25%以上的鋼，氧化層的生成速度非常緩慢[4]。

根據大量研究成果，管道表面的氧化皮不是由高溫蒸汽中的溶解氧和鐵氧化生成，而是由蒸汽分子中的原子氧和鐵反應生成。當蒸汽溫度超過570℃時，水分子會分解為原子結構，分解而來的氧原子會和管道的鐵原子發生氧化反應，造成氧化皮的產生。570℃是形成疏松的FeO的溫度臨界點，應作為火力發電廠鍋爐運行的重要參考數據。

3.3 氧化皮剝落的影響因素

根據爐管氧化皮的生成和脫落機理，氧化皮剝落的影響因素主要有以下幾個方面：

（1）鋼材成分。超臨界機組鍋爐常用的鋼材主要有T23、T91、TP347和Super304H等，這些鋼材屬于合金鋼，鋼材組分不同，元素含量各異，抗氧化能力也不同。

（2）管壁溫度。管壁溫度對金屬表面氧化皮的生成有著重要影響。當鍋爐蒸汽管道長期在超過自身抗氧化能力的溫度下運行時，管道金屬和高溫蒸汽的氧化反應就會加快，氧化皮的生成量就會增多，氧化皮厚度超過一定厚度，就會引起氧化皮的脫落。

（3）機組啟停時的熱應力。當鍋爐啟動尤其是冷態啟動時，由于正常的水循環未能建立，過熱器和再熱器中沒有蒸汽流過，處于干燒狀態，如爐膛出口溫度控制不好，很可能造成過熱器和再熱器管道超溫運行，加快金屬氧化速度。

4 爐管氧化皮的防治措施

根據氧化皮的生成機理，氧化皮的生成屬于自然現象，不能根治，但可以控制。從氧化皮脫落的影響因素看，可以從運行和檢修兩方面提出以下防止鍋爐氧化皮脫落的措施。

4.1 檢修中的防治措施

（1）機組停運時加強對氧化皮的檢查。當機組停機后，根據檢修計劃對高溫過熱器、高溫再熱器的彎頭割管檢查并拍片，有條件的可以抽取一些彎頭部位進行氧化皮的測厚，及時掌握管內金屬氧化皮的堆積狀況，對氧化皮堆積過量的管子進行更換。加強氧化皮的檢查及風險評估工作，避免發生爆管事故。

（2）提高材料抗氧化性。不同材料的抗氧化能力是不同，應用較高抗氧化能力的鋼材能有效減少氧化皮的產生。比如，T23鋼材抗氧化能力較弱，可以通過更換具有更高抗氧化能力的T91鋼材。但是這種做法代價較高，可以考慮選擇個別超溫或者氧化皮脫落嚴重的部位進行更換，來減弱氧化皮對機組運行的影響。

（3）對受熱面采用鍍鉻處理。對爐管表面鍍鉻，可使爐管表面產生薄的保護性氧化皮，這種氧化皮致密且附著力強，不易脫落，它通過降低Fe2+濃度，使金屬氧化物的生成速度減緩2/3。但是采用表面鍍鉻法處理費用高，且存在環境污染，限制了這一方法的推廣和應用。

（4）進行化學清洗。對爐管采用化學清洗去除堆積氧化皮是一種行之有效的辦法。當管內氧化皮堆積較多，氧化皮平均厚度在0.3mm以上時應進行化學清洗，清洗溶液一般選擇羚基乙酸、乙酸、EDTA，清洗時長一般為12小時，清洗次數一般為2-3次。

化學清洗時要使管道內的氧化皮清除干凈，不能在彎頭和管道底部有殘留物堆積。必要時考慮在化學清洗后吹管，使雜物吹除干凈。

4.2 運行中的防治措施

（1）控制管壁溫度，避免超溫。機組運行中，要加強對末級過熱器、末級再熱器的壁溫監視，防止爐管超溫運行，同時加強燃燒調整，使末級過熱器、末級再熱器壁溫偏差在規定范圍內，如發現壁溫偏差較大，因分析原因，采取對策。

（2）嚴格控制機組啟停期間的溫升（降）率。鍋爐冷態啟動時，要按照鍋爐運行規程中的啟動曲線進行升溫升壓；當鍋爐熱態啟動時，要嚴格控制高溫受熱面壁面溫度，避免管壁溫度快速冷卻產生較大熱應力；鍋爐停運時，同樣要按照運行規程中的停運曲線降溫降壓。

5 結語

隨著國內火電技術向大容量、高參數方向發展以及一些火電機組長時間運行，爐管氧化皮脫落問題在國內超臨界機組已越來越多的暴露出來。對氧化皮進行研究和防治，已經顯得越來越重要。本文通過分析氧化皮的成因和脫落機理，并在此基礎上提出氧化皮脫落的防治措施，可提高相關單位對氧化皮問題的認識和理解，為火力發電廠機組運行提供借鑒和參考。

參考文獻：

[1]朱寶田.固體顆粒對汽輪機通流部分的沖蝕與防止對策[J].火電廠蒸汽通流部件高溫氧化皮的影響與防治對策研討會，2002（10）：119-

123.

[2]鄭世津.鍋爐蒸汽側氧化皮剝落的治理[J].華東電力，2003（12）：

66-67.

[3]趙彥芬.鍋爐高溫部件的熱腐蝕[J].熱力發電，1994（02）：15-18.

[4]高麗華.汽輪機部件固體顆粒侵蝕的原因分析與防止對策[J].火電廠蒸汽通流部件高溫氧化皮的影響與防治對策研討會，2002（10）：125-128.

作者簡介：王具寶（1983-），男，寧夏銀川人，研究生，工程師，主要從事鍋爐、壓力容器、壓力管道檢驗工作。