超超臨界鍋爐受熱面不銹鋼管氧化皮堆積情況分析及防范措施

王金瀠

（國投云頂湄洲灣電力有限公司 莆田 351100）

1 氧化膜脫落機(jī)理、危害結(jié)果及影響因素

受熱面管在高溫高壓的環(huán)境中,內(nèi)表面會(huì)生成氧化膜。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增長,氧化膜的厚度不斷增加,在鍋爐啟動(dòng)、停爐或升降負(fù)荷過程中,受熱面管溫度變化幅度很大,由于母材和氧化膜的熱膨脹能力不同,基體會(huì)對表面的氧化膜產(chǎn)生拉或壓的作用,這些作用都會(huì)導(dǎo)致氧化膜開裂脫落。首先脫落的氧化皮在U型彎的底部停滯,由于機(jī)組啟動(dòng)時(shí)蒸汽流量較小,無法將其帶走。脫落的氧化皮不斷的積聚,數(shù)量較多時(shí),即便機(jī)組啟動(dòng)后有了較大的蒸汽流量,也很難對其產(chǎn)生擾動(dòng)并帶走,被堵塞的受熱面管壁溫會(huì)異常升高,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成短期超溫爆管。

氧化膜的形成影響因素主要有溫度、時(shí)間、化學(xué)成分、金屬組織等。導(dǎo)致氧化膜脫落的主要因素有溫度變化、氧化皮厚度、熱應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)等。[1]

2 機(jī)組現(xiàn)狀及氧化皮堆積檢測情況

2.1 機(jī)組現(xiàn)狀

筆者單位二期2×1 000 MW #3、#4機(jī)組配套鍋爐為上海鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)ALSTOM技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界參數(shù),一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、雙切圓燃燒方式、低氮燃燒、全露天全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)Π型變壓直流煤粉鍋爐。2015年2月,動(dòng)工建設(shè),2017年7月20日,#4機(jī)組通過168 h滿負(fù)荷試運(yùn),2017年9月27日,#3機(jī)組通過168 h滿負(fù)荷試運(yùn)。

鍋爐受熱面過熱器和再熱器不銹鋼管采用經(jīng)過噴丸處理的進(jìn)口耐熱鋼材HR3C、SUPER304H和經(jīng)過細(xì)晶強(qiáng)化處理的進(jìn)口耐熱鋼材TP347HFG,具有高抗蒸汽氧化能力。[2]

2.2 氧化皮堆積檢測情況

機(jī)組歷次檢修均對過熱器、再熱器管進(jìn)行氧化皮堆積檢測,檢測結(jié)果匯總見表1、表2。

表1 #3鍋爐受熱面管氧化皮堆積檢測數(shù)據(jù) 根

表2 #4鍋爐受熱面管氧化皮堆積檢測數(shù)據(jù) 根

#3鍋爐：目前未發(fā)現(xiàn)有氧化膜脫落現(xiàn)象。#4鍋爐：2019年檢修發(fā)現(xiàn)過熱器、再熱器有氧化膜脫落現(xiàn)象,但堆積量非常少；2020年檢修發(fā)現(xiàn)再熱器有氧化膜脫落現(xiàn)象,堆積量也是非常少。

2.3 內(nèi)壁氧化膜厚度檢測情況

機(jī)組檢修時(shí)選取受熱面管進(jìn)行割管送檢,持續(xù)監(jiān)測該管氧化膜厚度,檢測數(shù)據(jù)見表3、表4,氧化膜金相組織見圖1、圖2。

圖1 #4鍋爐末級再熱器內(nèi)壁氧化膜金相圖（材質(zhì)SUPER304H，200×）

圖2 #4鍋爐末級再熱器焊縫內(nèi)壁氧化膜金相圖（氧化膜厚度為96.8 μm，100×）

表3 #3鍋爐受熱面管氧化膜厚度數(shù)據(jù)

表4 #4鍋爐受熱面管氧化膜厚度數(shù)據(jù)

查閱相關(guān)文獻(xiàn),不銹鋼管氧化膜厚度達(dá)到100 μm時(shí)容易自發(fā)脫落。目前2臺(tái)鍋爐受熱面不銹鋼管母材在未受到較大的熱應(yīng)力變化條件下,氧化膜不易發(fā)生脫落；#4鍋爐再熱器廠家焊縫氧化膜容易發(fā)生脫落。[3]

3 機(jī)組現(xiàn)狀評估

3.1 氧化膜脫落情況

目前#3鍋爐未發(fā)現(xiàn)氧化膜脫落情況。#4鍋爐發(fā)生輕微的氧化膜脫落,2020年檢測發(fā)現(xiàn)主要脫落部位為末級再熱器管（材質(zhì)：SUPER304H、SA213-TP347HFG）,最大脫落量小于管截面積的20%。根據(jù)DL/T 1324—2014《鍋爐奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁氧化物堆積磁性檢測技術(shù)導(dǎo)則》中6.2條表5規(guī)定,風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅰ級,無須進(jìn)行處理。[4]

表5 鍋爐奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁氧化物堆積風(fēng)險(xiǎn)等級評定規(guī)則及處置方法

3.2 氧化膜宏觀照片

2020年檢修期間發(fā)現(xiàn)#4鍋爐有氧化膜脫落現(xiàn)象后,選取后屏過熱器管、末級過熱器管和末級再熱器管進(jìn)行宏觀分析,見圖3～圖6。

圖3 后屏過熱器宏觀形貌（材質(zhì)SUPER304H，內(nèi)壁無氧化膜脫落）

圖4 末級過熱器宏觀形貌（材質(zhì)HR3C，內(nèi)壁無氧化膜脫落）

圖5 末級再熱器宏觀形貌（材質(zhì)HR3C，內(nèi)壁無氧化膜脫落，廠家焊縫熱影響區(qū)氧化膜發(fā)生輕微脫落）

圖6 末級再熱器宏觀形貌（材質(zhì)SUPER304H，內(nèi)壁無氧化膜脫落，廠家焊縫氧化膜發(fā)生輕微脫落）

3.3 超溫?cái)?shù)據(jù)分析

查閱歷年#3、#4鍋爐過熱器、再熱器超溫?cái)?shù)據(jù),未發(fā)現(xiàn)末級再熱器超溫異常,具體數(shù)據(jù)見表6。

表6 #3鍋爐、#4鍋爐受熱面管超溫?cái)?shù)據(jù)對比 min

受熱面管氧化膜的生成速率與其金屬的環(huán)境溫度有關(guān),溫度越高則氧化膜的生成速率越快,鍋爐廠家對各個(gè)受熱面根據(jù)其不同材質(zhì)設(shè)置報(bào)警溫度值。筆者單位對受熱面超溫管理要求嚴(yán)格,建立鍋爐受熱面管超溫臺(tái)賬,要求運(yùn)行人員加強(qiáng)對受熱面管超溫情況的監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)有連續(xù)超溫10 min以上的情況,必須分析原因并采取相應(yīng)措施。通過對#3、#4鍋爐過熱器、再熱器受熱面割管檢查,其氧化膜情況良好。

4 預(yù)防措施及處理對策

4.1 預(yù)防措施

氧化膜生成和脫落都是不可避免的,關(guān)鍵是預(yù)防。主要措施：減緩生成、控制脫落、加強(qiáng)檢查、及時(shí)清理。

1）嚴(yán)格控制受熱面管壁溫,防止超溫運(yùn)行。

2）機(jī)組在啟停過程中控制蒸汽溫度變化過大,正常運(yùn)行中控制受熱面管溫度變化率。

3）機(jī)組檢修期間對受熱面管進(jìn)行氧化皮檢測,對監(jiān)督管進(jìn)行氧化膜測厚,掌握氧化皮脫落趨勢。

4）當(dāng)氧化皮堆積到一定程度時(shí)應(yīng)采取辦法進(jìn)行及時(shí)清理。[5]

4.2 處理對策

目前2臺(tái)鍋爐受熱面不銹鋼管氧化皮脫落情況總體良好,今后應(yīng)繼續(xù)從以下幾個(gè)方面工作：

1）嚴(yán)格防止受熱面管超溫運(yùn)行,由于鍋爐廠設(shè)置的受熱面管溫度測點(diǎn)在爐外側(cè),不能反映出爐內(nèi)受熱面管的實(shí)際壁溫,按照經(jīng)驗(yàn)爐內(nèi)實(shí)際溫度高于測點(diǎn)顯示溫度30～80 ℃,鍋爐廠設(shè)定的報(bào)警值為爐外溫度,不能準(zhǔn)確地防止?fàn)t內(nèi)管道超溫。如果爐內(nèi)加裝受熱面管溫度測點(diǎn),既能保證受熱面管不超溫安全運(yùn)行,又能減少減溫水的非必要投入,確保鍋爐的熱效率。

2）受熱面管溫度測點(diǎn)偏少,其中低溫過熱器74點(diǎn)（共1 590根）,分隔屏過熱器24點(diǎn)（共864根）,后屏過熱器153點(diǎn)（共825根）,末級過熱器194點(diǎn)（共1 122根）,低溫再熱器74點(diǎn)（共1 590根）,末級再熱器95點(diǎn)（共1 330根）,不能全面反映爐內(nèi)受熱面管受熱情況。加裝受熱面管溫度測點(diǎn)能有效防止局部區(qū)域超溫情況的發(fā)生。

3）設(shè)置受熱面管溫度變化速率報(bào)警功能,防止鍋爐在啟停階段、大幅度升降負(fù)荷階段,受熱面管壁溫變化太快,導(dǎo)致氧化膜脫落。

4）末級再熱器部分管道采用細(xì)晶強(qiáng)化處理的TP347HFG,如果該材質(zhì)普遍發(fā)生氧化膜脫落現(xiàn)象,可更換為經(jīng)過噴丸處理的TP347HFG,該材質(zhì)有更好的抗氧化性能。

5）研究鍋爐啟停階段氧化皮吹掃工藝,當(dāng)氧化皮堆積檢測達(dá)到Ⅱ級,可采用加速降溫停爐,促進(jìn)大部分氧化皮脫落,然后進(jìn)行蒸汽吹掃,清除脫落的氧化皮。

6）化學(xué)清洗的技術(shù)儲(chǔ)備,當(dāng)金屬內(nèi)壁氧化膜厚度快達(dá)到脫落邊界條件時(shí),可考慮采用化學(xué)清洗方法,對受熱面管進(jìn)行酸洗,去除過厚的氧化膜。