超臨界鍋爐氧化皮產生機理及防治措施研究

付鵬宇

【摘要】目前，鍋爐的受熱面所采用的材料多為奧氏體不銹鋼或者新型鐵素體，一些剛才在高溫的作用之下，極易發生氧化皮大量剝落的事故，給發電機組的安全、高效運行帶來了極大的威脅。為此，本文結合某超臨界機組對氧化皮的產生機理及防治措施進行了具體地分析和總結，期望對同行業相應運行人員具有一定的指導意義。

【關鍵詞】超臨界機組；氧化皮；措施

1、設備概況

該660MW超臨界鍋爐，末級過熱器選材以T91為主，僅管屏外圈選用TP347H，總重量比為30∶1；高溫再熱器選材以T91和TP347H為主，總重量比為3.4∶1。

2、氧化皮產生及脫落機理

2.1 氧化皮產生的機理

對氧化物進行收集化驗得出的結論是外層氧化皮結構主要成分是Fe3O4，在某些特殊情況下也會存在少量的Fe2O3，內層的機構比較復雜，主要組成成分是（FeCr）3O4，其中Cr的含量受鋼中Cr含量的影響很大，基本是隨著鋼中含量的增長而增長。外表皮的氧化物疏松多孔，通過顯微鏡進行細致的觀察發現，基本上呈粗大柱狀晶體結構。內層的氧化物相對而言要緊實致密一些，主要以尖狀的晶石結構。在內層和外層氧化皮的表面界面上，都大量分布著平行于表面的孔洞。

2.2 氧化皮脫落的機理

造成氧化皮的剝離條件主要由兩個方面組成，一方面是氧化層的厚度達到一定的累計程度。另一方面是溫度變化大、速度快、頻度大所造成的影響。由于承載材料與氧化層之間的膨脹系數存在差異，當氧化層沉積達到一定的厚度時，加之溫度不穩定，發生反復劇烈的變化，就會造成氧化皮與金屬本體發生剝離現象。

2.3 氧化皮存在的危害

氧化皮問題危害巨大，主要表現在以下幾個方面：

（1）氧化皮在管系彎頭處易發生堵塞，引起相應的受熱面管璧金屬超溫，最終導致機組強迫停機。

（2）長期的氧化皮脫落，使管壁變薄，強度變差，直至爆管。

（3）鍋爐過熱器、再熱器、主蒸汽管道及再熱蒸汽管內脫落下來的氧化皮，是堅硬的固體顆粒，嚴重損傷汽輪機通流部分高/中壓級的噴嘴、動葉片及主汽閥、旁路閥等，導致葉片沖蝕，損傷嚴重時甚至必須更換葉片。

（4）進入主汽閥和調節閥，使閥門的調節特性改變和惡化，甚至卡死。

（5）檢修周期縮短，維護費用上升。

（6）一些機組為了減緩氧化皮脫落，采用降參數運行，犧牲了機組的效率。

上述各種情況導致機組運行的安全性、可靠性及經濟性均大幅度降低。

3、氧化皮防治措施分析

在機組運行過程中，對于氧化皮的生成速率和異常脫落的控制要求更加嚴格，控制氧化皮的生成速率、防止氧化皮脫落是防治鍋爐中沉積氧化皮的主要手段。

3.1 氧化皮防控原則

（1）嚴格控制汽水品質。

（2）鍋爐啟停，汽溫汽壓按規程規定控制，避免溫度、壓力波動過大，停爐過程應避免進行強制快速冷卻。

（3）鍋爐啟動中，在汽機沖轉前，應利用旁路進行低壓大流量的蒸汽吹掃。

（4）運行過程中減溫水操作時，其停投和調節應盡量平穩和小幅度操作，避免出現減溫水大增大收的脈沖式變化，另外避免在蒸汽流量很低的情況下投用減溫水。

（5）嚴格控制鍋爐啟、停速度，同時控制鍋爐升降負荷期間汽溫、汽壓的變化速率。

3.2 氧化皮生成速率的控制

（1）嚴格控制給水品質，保證給水的總硬度、溶解氧、鐵、銅、二氧化硅、PH值、電導率在合理的區間之內。

（2）鍋爐上水、點火及升溫升壓

1）嚴格控制入爐水質，上水時的環境溫度不低于5℃，鍋爐上水溫度20～90℃，且高于螺旋水冷壁外壁溫20℃以上，用給水旁路調整門控制上水速度在5%BMCR左右，上水初期各放水門開啟沖洗1小時后關閉。鍋爐冷態沖洗過程中緩慢提升除氧器水溫，以≤20℃/h速度加熱到110℃以上，鍋爐冷態沖洗水質合格后方可進行鍋爐點火。

2）爐水鐵離子≤500μg/l，確認爐水循環泵過冷管電動門關閉后啟動爐水循環泵沖洗。

3）爐水泵啟動后，注意檢查爐水泵振動情況。當分離器出口壓力0.15MPa以上，且出水溫度高于省煤器入口溫度20℃以上時，爐水泵過冷水電動門解鎖。

4）在升壓開始階段，監視爐膛出口煙溫應緩慢上升，煙氣溫度升高速度不超過2℃/min，應該小心控制熱輸入，以使爐膛出口的煙溫探針在任何時候都不超過540℃。當煙氣溫度升高到540℃時，必須控制熱輸入量。

（2）鍋爐正常運行階段。

1）對于管壁內表面溫度的控制需要電廠在運行期間盡量消除壁溫偏差，使每根管子受熱均勻。

2）正常運行時，機組負荷50%BMCR以上時升降負荷速率不超過1.5%BMCR/min，負荷小于50%BMCR時升降負荷速率不超過1%BMCR/min。

3）負荷調整的過程中，應保持鍋爐的負荷與水煤比的對應關系，防止水煤比失調造成蒸汽參數的大幅度波動。

4）制粉系統啟停時維持一次風母管壓力穩定，及時調整給水量，同時調整其他磨煤機出力，防止負荷大幅波動。

（5）過、再熱器壁溫高低點的偏差最好控制在30℃以內，同時再熱器盡量少投或不投減溫水，在調整減溫水調門過程中要根據汽溫偏離的大小及減溫器后溫度變化趨勢進行調整，減溫水調門操作要緩慢，防止出現減溫水調門大幅開關，每次操作幅度不超過10%。任何工況下減溫器后溫度大于飽和溫度20℃。

3.3 氧化皮異常脫落控制

（1）運行過程中避免大的負荷波動

受熱管壁內附著氧化皮的熱膨脹率遠小于金屬管的熱膨脹率，運行中如果負荷有較大的波動，會使受熱管道的溫度產生劇烈變化，由于膨脹量不一樣，氧化皮從壁面脫落下來。當脫落的氧化皮過多時，容易堵塞管道，導致爆管。所以在運行過程中應當盡量避免大的負荷波動，在300MW以下負荷時控制升降負荷速率為2MW/min，300MW以上負荷時控制升降負荷速率不超過3MW/min。

（2）應控制汽溫平穩變化，防止溫度突變

在500-600℃這一區間內溫度突變，極易造成大量氧化皮脫落，危害運行安全，因此要注意汽溫控制，盡量使其變化平穩緩慢。水減溫器應避免噴水量大幅度變化和周期波動，噴水量變化大，會造成減溫后汽溫大幅變化，引起氧化皮脫落。

（3）停爐時，嚴格控制停爐速度

1）停爐過程中，應當嚴格控制停爐速度。設定降負荷速度。若升降負荷速度過快，爐內溫度變化較劇烈，除了對爐本體設備會造成損壞外，還容易形成大量氧化皮脫落，堵塞管道。

2）直流鍋爐停爐后應采用自然冷卻方式，并嚴格監視分離器和水冷壁的降溫、降壓速率。鍋爐滅火后將給水流量保持5%，監視啟動分離器的汽水和金屬降溫速度（不得高于1℃/min），內外壁溫度偏差不得高于50℃。

3）機組故障緊急停機時，爐膛通風10分鐘后立即停止送、引風機，并關閉送風機出口和引風機進、出口擋板，進行燜爐6小時以上，防止受熱面溫度快速降低。控制高溫過熱器、再熱器蒸汽溫度和金屬壁溫降溫速率不大于1℃/min，主、再熱壓力降低速率不大于0.1MPa/min。降壓結束后，水冷壁可以上水冷卻，通風冷卻要控制低溫段入口煙溫降低速率，尤其是金屬壁溫在200-300℃之間是氧化皮脫落的最危險期。

4、結論

在現有材料和技術水平下，超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮生成與剝落是不可避免的，通過對高溫受熱面管材選型、受熱面壁溫的控制、規范鍋爐啟停操作，可以減緩氧化皮生成和剝落，同時通過對金屬壽命評估檢驗、停爐檢修維護，能夠有效地避免或減少氧化皮集中剝落導致的停機事故。

參考文獻：

[1]黃興德.超（超）臨界鍋爐高溫受熱面蒸汽氧化皮的生長與剝落特性[J].動力工程，2013，29（6）：602-608.

[2]趙彥芬.高溫過熱器T91、T22管爆管分析[J].熱力發電，2014（11）：61-64.