超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮剝落的原因及防治

王力園

(大唐國際潮州發電有限責任公司，廣東 潮州 515723)

1 鍋爐情況簡介

潮州電廠1，2號600MW機組的鍋爐是由哈爾濱鍋爐有限責任公司引進三井巴布科克能源公司(Mitsui Babcock Energy Limited)技術生產的超臨界參數變壓運行直流鍋爐，為單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐，型號為HG-1900/25.4－YM4。鍋爐燃燒方式為前后墻對沖燃燒，前后墻各布置3層三井巴布科克公司生產的低NOX軸向旋流燃燒器(LNASB)，每層各有5只，前墻最下層5只燃燒器配置等離子點火裝置以取代點火油槍。鍋爐設計煤種為神府東勝煙煤，校核煤種為山西晉北煙煤。水冷壁和包墻過熱器材質為15CrMoG，屏式過熱器材質為SA213-T91和SA213-TP347H，末級過熱器材質為SA213-T91和SA213-TP347H，高溫再熱器材質為12Cr1MoVG(入口段)、SA213-T91(中間段)和SA213-TP347H(出口段)。

2008-03-08，2號爐在啟動后，帶正常負荷運行只1天，即因為過熱器氧化皮剝落堵塞過熱器蒸汽管道(發生在屏過及末過處)，導致鍋爐爆管。

在2號機組解列、鍋爐通風冷卻后，檢修人員進入爐內檢查，發現第9屏(從爐左數)14管(從外圍向內圍數)、11屏1管、22屏4管入口管段爆管，爆口位置全部位于T91與TP347H異種鋼焊口上方約10mm處的T91管道。爆口均呈喇叭口形狀，脹粗十分明顯，爆口邊緣鋒利，破口附近氧化層很薄，判斷為短期過熱超溫爆管，懷疑管道內部有異物堵塞。將變色較嚴重的一根管道下彎割下，倒出大量氧化皮粉末，重量約為300 g(見圖1)。經廣東及西安電科院金屬專家現場檢查，判斷為末過TP347H 管段內部氧化皮剝落造成管道堵塞，管道局部短時間過熱發生爆管。

圖1 管內清出的氧化皮

2 氧化皮生成的機理

研究發現：水蒸汽可以在高溫下分解成氫氣和氧氣，金屬在高溫水蒸汽中發生氧化，尤其是當水蒸汽在570 ℃以上時對鋼材有較強的氧化性，在600～620 ℃時，氧化速度加快，不銹鋼氧化層會迅速增厚。主要反應化學方程式為：

西安熱工院對鍋爐鐵素體鋼(T23/T91)管樣的金相分析結果為：蒸汽側氧化皮微觀結構形貌為雙層結構，外層為Fe3O4和少量Fe2O3，內層為(FeCr)3O4。

3 影響氧化皮生成的主要因素

鍋爐運行中金屬管材氧化皮生成的速度與管壁溫度和管材材質存在著以下關系：

(1) 同一種鋼材在不同溫度下，管壁溫度越高，氧化速度越快；

(2) 不同種鋼材在相同溫度下，鋼材抗氧化性能越好，氧化速度越慢。

4 影響氧化皮剝落的因素

氧化層剝離有2個主要條件：

(1) 多層氧化層達到一定厚度：不銹鋼0.1mm，鉻鉬鋼0.2～0.5mm (運行2萬～5萬h可以達到)；

(2) 金屬材料與氧化膜或氧化膜層間應力達到臨界值。溫度變化頻繁、幅度大、變化率高是造成層間應力大的主要原因。

此外，金屬材料本身的特性也是氧化層剝離的影響因素之一。實際上，氧化皮就是一種金屬化合物的混合物，其線膨脹系數α1一般在9.1×10-6K-1左右。和氧化皮相比較，線膨脹系數相差越大的金屬材料，其氧化皮就越易剝落。表1為幾種材料在不同溫度下的線膨脹系數，從表中數據可以看出，鐵素體T91鋼和奧氏體不銹鋼TP347管內壁均易出現氧化皮剝落堵管，從而引起超溫爆管。

表1 幾種材料在不同溫度下的線膨脹系數α1

5 氧化皮的主要危害

(1) 氧化皮剝落造成受熱面超溫。剝落后的氧化皮一般集中在高溫段受熱面U型管底部彎頭或出口管段中，或在聯箱的節流孔部位，容易導致局部過熱，超溫爆管。

(2) 氧化皮的產生容易使主汽門卡澀，造成機組停機時主汽門無法關閉，威脅機組安全停運；并容易堵塞細小管道、疏水閥門、逆止門等，使系統產生潛在隱患。

(3) 流動蒸汽帶出的氧化皮對汽輪機部件產生固體顆粒侵蝕，造成汽輪機噴嘴和葉片侵蝕損壞并污染水汽品質。正常條件下，在過熱器中T91鐵素體上生長的氧化皮是汽輪機發生固體顆粒侵蝕的最主要因素。

6 氧化皮剝落的特點

氧化皮剝落后，通常機組啟動運行較短時間就會出現管壁局部過熱或爆管，但也有運行較長時間爆管的。氧化皮剝落一般多發生在爐膛出口到水平煙道高溫段過熱器和高溫段再熱器部分。

7 事故原因分析

此次發生的TP347H管道內部氧化皮剝落造成爆管的原因，可能有以下幾方面。

(1) TP347H管為奧氏體不銹鋼管，是粗精鋼，其線膨脹系數α1為(1.7～1.9)×10-5K-1，而氧化物的線膨脹系數α1為9.1×10-6K-1。該材質產生的氧化皮和基材膨脹系數差別較大，在管材溫度受擾動時氧化皮很容易從金屬本體剝離。啟動過程中升溫升壓速度較快，整個過程中平均溫升率為1.65 ℃/min；期間，由于其他原因造成汽機高壓旁路關閉，導致過熱汽溫有一個較快的溫升率(短時間超過3 ℃/min)，這可能是造成氧化皮大量剝落的主要原因。

(2) 機組正常運行時，因管道高溫受熱面有一定超溫過熱現象，加速了管壁高溫氧化，已形成一定量的氧化物附著在金屬內壁上。

(3) 滑停中溫降速度控制不當，造成不銹鋼收縮快，氧化物收縮慢，氧化物受熱應力作用而龜裂、剝落，且因蒸汽流量低，攜帶能力降低，最終氧化物沉積至管道下部。

(4) 由于煤質、熱負荷的變化，在低負荷(60 %額定負荷及以下)下由于部分過熱器管子蒸汽流量偏低，流速偏差大，可能造成局部過熱而引起爆管。

(5) 啟動中冷、熱態沖洗不夠，未將已剝落的氧化皮沖洗干凈。

根據2號機組鍋爐爆管的時間分析，管道內部氧化皮大量剝落的時間可能發生在啟動過程中。

8 治理的思路及防范措施

治理思路重點考慮以下4步：減緩生成→控制剝落→加強檢查→及時清理。具體措施有以下方面。

(1) 啟動中加強冷、熱態沖洗，嚴格控制冷態沖洗和熱態沖洗水質指標。要充分利用旁路系統進行蒸汽系統的清洗，目的是保證氧化皮等雜質被沖洗干凈，主要注意控制水質中鐵和二氧化硅的含量。

(2) 嚴格控制鍋爐升溫、升壓速度，到汽機沖轉、機組并網轉干態運行前，溫升率不超過1.5℃/min。盡量避免使用減溫水，尤其是二級減溫水的使用。對于使用燃油或微油點火技術的機組，控制溫升率一般問題不大，但使用等離子點火技術的機組在點火初期應加強調整。

(3) 并網轉干態后，控制主、再熱汽溫在530 ℃左右運行不低于5 h，并盡量爭取高于500MW負荷連續運行(大流量沖洗)。

(4) 根據鍋爐給水水質情況投入加氧工況，目的就是通過改變給水處理方式，在碳鋼表面形成雙層氧化膜。關鍵是嚴格控制給水陽離子的電導率一般要低于0.1μs/cm ，當給水陽離子電導率大于0.3μs/cm時，應停止加氧處理。

(5) 機組正常運行中，嚴格控制受熱面蒸汽和金屬溫度，嚴禁鍋爐超溫運行；對地區負荷峰谷差較大、負荷落差較大的調峰機組，啟、停磨要控制好。此外，要加強對超溫考核的力度。

(6) 事故跳機情況下，在故障比較明確，不影響機組沖轉、并網的前提下，要盡快沖轉、并網接帶負荷，避免鍋爐受熱面金屬壁溫出現大幅度降低。

(7) 停爐超過3天時，在鍋爐帶壓放水前、正常吹掃后應密封爐膛；或因設備原因、檢修原因，可以通過自然通風冷卻，但應避免停爐后18 h內強制通風冷卻。

(8) 加強檢查，及時清理。通過拍片、測厚、內窺鏡等技術手段檢查管壁氧化皮剝落和堆積情況，及時割管清理。本著逢停必查的原則，停爐時間超過3天時，都要對屏過、末過管屏進行檢查，發現管道有變顏色等異常時及時進行檢查、處理。

(9) 增大停運頻率，加強設備的正常維護，延長檢修周期。

9 結束語

氧化皮的生成速度取決于金屬管壁溫度，氧化皮的剝落主要取決于氧化皮與金屬基體的溫差及溫度變化速率。控制金屬管壁溫度是減緩氧化皮生成的關鍵。溫度變化產生的熱應力是導致氧化皮剝落的主要原因，是控制剝落的重點。加強檢測、及時發現、及時清理以保證機組在健康狀態下運行。作為運行人員來說，如何選擇金屬材料是決定不了的，但是可以通過運行調整等措施，達到減少氧化皮的生成，減緩氧化皮的剝落速度，可以做到減少機組因氧化皮的原因造成高溫受熱面爆管，避免出現機組非停事故。自2008年爆管事故后，運行人員嚴格執行廠里規定的防治氧化皮措施，2臺600MW鍋爐未再發生過因氧化皮的原因造成的爆管停機事故。