超臨界機組TP347H受熱管內氧化皮堆積爆管分析與預防

柯道斌

摘 要：隨著大容量超臨界機組運行時間增加，TP347H不銹鋼受熱面管內氧化皮剝落造成管道堵塞、爆管的問題組較為常見。為此，茂名臻能熱電有限公司對本廠#7爐600MW超臨界機組鍋爐受熱面氧化皮剝落造成管道堵塞爆管的問題非常重視。在檢測中發現#7爐高溫受熱面存在大面積氧化皮脫落堵塞現象，尤其屏式過熱器、高溫過熱器和高溫再熱器都有個別彎頭完全堵滿，嚴重威脅鍋爐的安全運行。作者作為一位電廠基層生產人員，從運行及檢修的角度提出一些淺見。

關鍵詞：氧化皮；堆積；爆管；預防

1 基本情況

茂名臻能熱電有限公司#7鍋爐為東方鍋爐廠設計制造的超臨界參數變壓直流爐，型號為DG1920/25.4-Ⅱ2型，一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道結構、采用煙氣擋板調節再熱汽溫，固態排渣，全鋼構架、全懸吊結構，平衡通風、露天布置，前后墻低NOx軸向旋流燃燒器對沖燃燒。截至到2017年1月，累計運行時間約為13000小時。屏式過熱器布置在爐膛上部，沿煙氣方向分前、后兩組。每一組沿爐寬反向布置15屏，共30屏，每屏由22根管子組成。高溫過熱器位于折焰角上部，沿爐寬方向布置32屏，每屏由20根管子組成。高溫再熱器位于水平煙道內，共64屏，每屏由13根管子組成。上述管屏入口管段材質均為SA-213T91，出口段材質均為SA-213TP347H。2016年5月4日，#7爐爐內屏式過熱器有泄漏，檢查發現后屏東往西數第四排北往南數第三根管子中上部爆漏。

2016年8月9日#7爐高溫過熱器西往東數第十屏北往南數第十根管爆漏，爆口位置大約在：入口側離下部彎頭1600mm處，焊口上100mm處，以上兩起事故爆管原因均為：管內氧化皮脫落，造成堵塞，引起過熱爆管。為此，茂名臻能熱電有限公司對本廠#7爐600MW超臨界機組鍋爐受熱面氧化皮剝落造成管道堵塞爆管的問題非常重視。在檢測中發現#7爐高溫受熱面存在大面積氧化皮脫落堵塞現象，尤其屏式過熱器、高溫過熱器和高溫再熱器都有個別彎頭完全堵滿，嚴重威脅鍋爐的安全運行。

2 氧化皮形成機理

受熱管內金屬表面的氧化膜并非由水汽中的溶解氧和鐵反應形成，而是由水汽本身的氧分子氧化內接觸面的鐵元素所形成。高溫下的水蒸氣氧化性很強，氧化受熱管內壁是不可避免的。蒸汽中的氧來自H2O，在高溫環境下，水分解為H2和O2，在穩定的壓力和溫度下達到動態平衡，氧化初期，受熱管內表面與水蒸氣接觸，基體微表面存在的晶界或晶粒中Cr、Ni元素向外遷移，與Fe基體共同與水蒸氣中的H2或O2反應，生產（CrFe）2O4、Ni0等非均質層，氧化皮/水蒸氣界面存在氧過剩，繼續反應生產Fe3O4，形成中間層的柱狀氧化皮，由于柱狀氧化皮存在氧遷移通道，使內層/中間層氧化皮界面的氧濃度/氧分壓增加，內層氧化物在界面處解離成鐵不足型氧化物，氧以分子或離子形態通過間隙直達金屬基體界面，研究表明，當水蒸氣在570℃以上時，反應速度加快，不銹鋼氧化層會迅速加厚。

3 影響氧化皮生成速度及脫落的主要因素

（1）鍋爐運行中受熱面管道壁溫，同一種管材，管壁溫度越高，氧化速度越快，鍋爐加減負荷運行過程中，煤量、給水、蒸汽流量等出現波動，容易造成屏過、高過、高再受熱面超溫；啟動過程中，負荷較低，部分受熱管內蒸汽流量不足，引起超溫過熱，以上工況均會加速管內壁金屬氧化皮的生成，氧化皮生成后并不馬上脫落，而是附著在內壁上。

（2）受熱面管材抗氧化性能，抗氧化性能越差，氧化速度越快，其中合金內Cr含量影響最大，Cr含量越高，其氧化速度越慢，各種常見管材氧化皮生長速度順序：T22、T91>TP347H>super 304>HR3c。

（3）氧化皮積累越厚越容易脫落，不同管材平均脫落厚度如表1所示。

（4）受熱面管壁溫度變化頻率、幅度過大，造成金屬材料與氧化膜層間應力超過臨界值。與氧化皮相比，線膨脹系數相差越大的金屬材料，氧化皮就越易剝落，TP347H管為奧氏體不銹鋼管，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，線膨脹系數相差較大。鍋爐啟停過程中，溫升溫降速度控制不當，運行中大量使用減溫水，金屬與氧化物膨脹收縮程度相差較大，會引起氧化皮脫落，因此TP347H管內易發生氧化皮脫落堆積，引起超溫爆管事故。

4 氧化皮的主要危害

（1）管內氧化皮脫落堆積，引起超溫爆管事故。若受熱管內脫落的氧化皮的量超過管內流動的高溫蒸氣攜帶能力，氧化皮會堆積在U型受熱面管道彎頭、出口管段、出口聯箱的節流孔部位。檢測發現，管內氧化皮大部分堆積在U型受熱面管道彎頭，增大在運行中容易引起管內蒸氣流量不足，造成局部管段過熱，引起超溫爆管。

（2）如果氧化皮進入到主蒸汽管道，容易引起主汽門、調門卡澀，造成主汽門、調門關閉時無法關到位，嚴重威脅到機組的安全停運。進入到汽輪機內部的氧化皮，侵蝕汽輪機噴嘴、葉輪葉片等關鍵部件，進入凝汽器的氧化皮，會污染凝結水品質。

（3）氧化皮容易堵塞細小疏水管道，小口徑閥門，帶來大量檢修處理工作，加重一線生產人員的工作負擔，更會威脅到系統的正常運行。

5 治理的思路及防范措施

受熱面管內壁氧化皮脫落無規律性且脫落過程是一個自然過程，需長期預防和控制，根據#7機組防治經驗及檢測情況，建議在以下方面進行預防和控制：

（1）控制鍋爐啟動過程中溫度、壓力變化率，鍋爐啟動初期屏式過熱器、高溫過熱器、高溫再熱器受熱管內無蒸汽流通，處于干燒狀態，升溫、升壓速率過快更容易引起氧化皮脫落堆積，因此要開機過程嚴格控制升溫度速率。2016年我廠5月屏式過熱器、8月高溫過熱器由于氧化皮堵塞爆管引起高度重視，降低啟動過程溫度變化率，升溫率不超過1.5℃/min，有效減緩了管內壁氧化皮的脫落過程，至今多次開爐均未發生爆管事故。

（2）鍋爐啟動中加強冷、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，保證管內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。

（3）停爐過程中或者發生緊急情況，鍋爐事故處理急停，防止造成的溫度急劇變化，停爐后通過自然通風冷卻，避免停爐后72h內強制通風冷卻，受熱管壁溫低于250℃再開風機通風冷卻，防止爐內過早冷卻引起氧化皮脫落。若事故跳機原因查明處理后，盡快點火、升溫升壓、并網、帶負荷，防止鍋爐受熱面溫度下降幅度過大。

（4）鍋爐運行中嚴禁受熱面管壁溫度超溫。超溫是運行中生成氧化皮的主要因素，運行值班員在線監測運行過程中管壁溫度變化情況，盡量減少減溫水的使用、合理安排啟停磨順序、風煙擋板，及時調整防止超溫，可以有效減緩管材劣化，減少氧化皮生成的量。

（5）采用逢停必檢，逢堵必處理的原則進行管理，及時全面檢測高溫過熱器、屏式過熱器、高溫再熱器受熱管道彎頭氧化皮堆積情況，根據檢測結果及時進行割管清理、沖洗、吹掃，防止氧化皮堵塞爆管的發生，避免巨大的經濟損失。