超臨界直流鍋爐氧化皮脫落原因及預防措施

朱啟波 金永強 楊旭

【摘要】隨著電力技術的不斷進步，電力系統中發電機的容量越來越大，參數也越來越高，其中超臨界直流鍋爐就是一種常見的機型。在超臨界鍋爐的運行過程中，常常由于高溫受熱而使氧化皮脫落，嚴重影響了設備的質量和運行效率。如果沒有對其進行及時的處理，就會出現鍋爐傳熱惡化現象，極大的降低了汽輪機的運行效率。為此本文主要對超臨界直流鍋爐氧化皮脫落的原因進行具體分析，并提出了針對性的預防措施，希望給相關工作人員提供參考和幫助。

【關鍵詞】超臨界直流鍋爐；氧化皮脫落；原因和預防措施

超臨界直流鍋爐內部受熱面在高溫作用下形成氧化層，氧化層脫落現象比較常見，這就要求在使用鍋爐的過程中加強對這項問題的重視，并采取有效的預防措施，以避免由于氧化層脫落而產生的堵塞和爆管現象，進而保障鍋爐的正常運行。

1、超臨界直流鍋爐以及氧化層形成機理

1.1超臨界直流鍋爐概述

鍋爐內工質壓力處在臨界點之上時的鍋爐即超臨界直流鍋爐。一般情況下鍋爐內工質都為水，22.115MPa、374.15℃是水的臨界壓力和臨界溫度，處在這個狀態下的水和蒸汽其轉化為汽化的潛熱為零，鍋爐內工質壓力在22.115MPa之下即亞臨界鍋爐，鍋爐內工質壓力在26MPa上即超臨界直流鍋爐[1]。

1.2超臨界直流鍋爐氧化層的形成機理

超臨界直流鍋爐運行時爐內的溫度達到550℃—570℃，而這一溫度正好處在水蒸氣氧化能力極強的區間之內，在處于這個溫度時水蒸氣對于金屬物質的受熱面氧化能力比空氣的氧化能力要強十幾倍，因此很容易在超臨界直流鍋爐的內壁上發生氧化作用，從而形成氧化層。在超臨界直流鍋爐內，高溫水蒸氣和內壁金屬物質在550℃—570℃下會發生強烈的氧化作用，其內壁金屬物質生成氧化物的主要化學反應過程為：

首先發生3Fe3+4H2O=Fe3O4+4H2反應，同時在超臨界直流鍋爐內高溫水蒸汽和金屬鐵之間，還可能存在Fe+2H2O=FeO2+2H2、O2+2H2=2H2O、Fe（Fe2+）+O2（O2-）=FeO三種化學反應的平衡，致使超臨界直流鍋爐內壁的金屬鐵不斷被氧化為氧化鐵變成氧化層。在超臨界直流鍋爐的內高溫再熱器和高溫過熱器管內有高溫蒸汽通過時，金屬Fe就會和高溫水蒸汽發生化學反應，一開始形成Fe3O4，Fe3O4會形成一層氧化膜，同時這層氧化膜還是富有韌性和致密的，在這層膜形成之后，鍋爐內壁的鐵被氧化的速度就減慢。隨著氧化反應時間的不斷加長，這層氧化就會變成由多層的Fe3O4、Fe2O3和FeO組成，而當水蒸汽溫度在565℃之下時氧化膜多為Fe3O4和Fe2O3；當水蒸氣溫度在565℃以上時氧化膜多為FeO。

2、超臨界直流鍋爐氧化皮的脫落原因分析

2.1爐管材質的性能存在差異

目前大多數的超臨界直流鍋爐的爐管都以合金為主，合金中Cr的含量多少決定了爐管材料的不同，進而決定其抗氧化性和耐熱性的性能不同，在使用超臨界直流鍋爐時通常需要根據實際使用的環境，選用最合適的Cr含量的爐管，來避免爐管的氧化過快。然而如果爐管的使用環境和Cr含量之間并沒有合理的匹配，就會導致在鍋爐運行的過程中發生氧化速度極快的現象，進而氧化層的生產加速，導致行程的氧化層的快速脫落。

2.2管壁溫度過高

很多超臨界直流鍋爐的內壁已經有了很厚氧化層，但仍然在繼續使用，這會導致氧化層很厚處的爐壁實際厚度增加，進而導致爐管的局部溫度升高，又促使氧化反應加速，氧化層厚度繼續增加，這樣的惡性循環會致使氧化層厚度達到一定程度之后發生大面積的脫落。

2.3機組啟停的熱應力

在超臨界直流鍋爐的正常啟動和停止中都需要大量的熱負荷，來實現水循環流量達到鍋爐啟停所需的流量，啟停時高熱負荷作用的影響下，超鍋爐管會出現短時間的干燒狀態，氧化層就極易脫落。另外，若鍋爐停止運行，鍋爐內的溫度迅速降低，會使得鍋爐內的負荷量瞬間降低，這會和鍋爐機組在運行時的熱負荷量產生巨大的落差，也可形成熱應力，進而致使超臨界直流鍋爐管的氧化反應加速和脫落加速。

3、超臨界直流鍋爐氧化皮脫落的預防措施

3.1科學選擇鍋爐材質

超臨界直流鍋爐發生氧化反應和氧化層脫落與超臨界直流鍋爐的自身材料有著極其重要的聯系，因此在對超臨界直流鍋爐的材料選擇和設計時，必須做到科學合理，目前高晶粒度等級的鋼材是較好的鍋爐材料選擇。現階段，國內的鍋爐制造材料多采用國內生產的鋼材，然而目前國內生產的鋼材在其晶粒度上和國外先進鋼材的晶粒度還存在著一定的差距，所以在鍋爐鋼材選擇要盡量選擇晶粒度等級高的鋼材[2]。另外，除了晶粒度等級之外，鍋爐制作材料的抗高溫性和抗氧性也是非常重要的影響因素。因此超臨界直流鍋爐制造企業在對鍋爐鋼材的選擇時，要積極引進國外的先進技術，提升我國鋼料的晶粒度等級和抗高溫性、抗氧化性。

3.3改善安裝工藝，控制焊接條件

要保障超臨界直流鍋爐氧化層形成以及氧化層脫落問題的有效控制，在超臨界直流鍋爐的安裝過程中就需要實現嚴格規范。首先，對于安裝工人的專業技能、安裝技術要有明確的要求，尤其是過熱器、再熱器等容易出現偏差的地方更要安裝得特別精準；其次，在安裝之前要再次確定鍋爐爐體質量的過關，確定爐管內沒有異物，確定安裝環境的適合，在安裝完成之后為了保障穩定性還需要對疏水管、爐管等重點設備進行檢查；最后，在超臨界直流鍋爐焊接時要保障焊接質量，避免不同類型的鋼材進行焊接。

4.3加強超臨界直流鍋爐的管理

加強運行環節超臨界直流鍋爐的管理也是有效減少鍋爐氧化層形成和脫落的有效途徑之一。首先，加強鍋爐的日常管理，及時發現氧化層的形成和脫落現象，究其原因并解決，可有效地降低可能出現的問題；其次，加強對超臨界直流鍋爐的汽水質量檢查監督；最后，可以對現有的超臨界直流鍋爐的運行模式進行優化。定期對鍋爐采取吹灰工作，保持鍋爐的清潔，避免局部過熱而產生氧化層形成和脫落問題。同時對超臨界直流鍋爐機組的使用投入量要盡可能的達到100%，提高超臨界直流鍋爐的運行經濟效益。

結語：

總之，超臨界直流鍋爐運行過程中氧化層脫落的形成原因有很多，我們要對這些問題進行分析，科學選擇鍋爐材質，改善安裝工藝，控制焊接條件，加強管理等，以有效控制超臨界直流鍋爐氧化層的形成和脫離，進而保障鍋爐的安全、穩定運行。

【參考文獻】

[1]高歡，李峰. 超臨界直流鍋爐氧化皮脫落原因及預防措施分析[J]. 科技創新與應用，2015，（27）：116.

[2]陳媛，王旭. 超（超）臨界鍋爐氧化皮脫落原因分析及防治措施[J]. 華電技術，2013，（01）：1-3+6+78.

（作者單位：貴州航天烏江機電設備有限責任公司）