超臨界鍋爐高溫受熱面蒸汽側氧化皮剝落原因分析研究

安徽省特種設備檢測院培訓中心 蘇寧

國投宣城發電有限責任公司 曹雷 汪杰斌 鮑志永 浦仕化

超臨界鍋爐高溫受熱面蒸汽側氧化皮剝落原因分析研究

安徽省特種設備檢測院培訓中心 蘇寧

國投宣城發電有限責任公司 曹雷 汪杰斌 鮑志永 浦仕化

本文詳細闡述了鍋爐高溫受熱面蒸汽側氧化皮形成的特征、剝落、堵塞的機理及其危害；從鍋爐檢修、運行、化學和金屬監督檢測等方面進行全面分析，總結經驗教訓，提出了預防和控制氧化皮剝落堆積堵塞鍋爐高溫受熱面的技術措施。運行實踐表明，取得了良好的效果，提高了鍋爐機組運行的安全性。

高溫受熱面；氧化皮剝落；金屬監督；控制；技術措施

某發電公司超臨界630MW機組，其鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司制造的HG-1970/25.4-YM7型鍋爐，為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環泵啟動系統的本生（Benson）直流鍋爐，單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、π型布置。2008年8月22日投產發電；至2012年11月小修累計運行約25000小時。

鍋爐高溫受熱面產生氧化皮主要原因：高溫氧化，從熱力學角度來講，鍋爐管內壁產生蒸汽氧化現象是必然的，因為鐵與水反應，在一定溫度范圍轉化為Fe3O4，且溫度越高，高溫氧化越快，目前是超臨界鍋爐普遍存在的問題，對于不銹鋼管和其產生的氧化皮來說，由于熱膨脹系數的差異，當氧化層達到一定厚度后,在溫度發生變化時，氧化皮即很容易從金屬本體剝離，無法避免。尤其是溫度發生反復的或劇烈的變化時，如鍋爐啟停、停爐時強制通風快速冷卻，都會加速氧化皮的剝落。鍋爐正常運行中壓差較小，故蒸汽流帶不走尺寸較大的氧化皮，所以造成了停爐時氧化皮的堵塞。

超臨界鍋爐在運行過程中，由于蒸汽側氧化皮的形成、剝落造成的危害主要有以下方面：

（1）蒸汽側或煙氣側的強制冷卻產生大量氧化皮脫落堆積，造成高溫受熱面短期超溫爆管。

（2）氧化皮的熱阻效應導致金屬壁溫和氧化皮厚度不斷提高，最終造成超溫運行、組織老化和氧化皮脫落風險加劇。根據EPRI研究結果，致密氧化皮厚度每增加0.025mm，管壁溫度增加約2℃。

（3）汽輪機固體顆粒侵蝕。會損傷葉片、噴嘴和調門。

鍋爐氧化皮的形成與剝落嚴重影響機組安全經濟運行,所以研究鍋爐高溫受熱面蒸汽側氧化皮形成與剝落具有重要和深遠的現實意義。

1 現狀調查

1.1 汽溫和管壁溫度超溫頻繁

結論一：從表1可知，超溫次數大大超標。

1.2 鍋爐氧化皮脫落堆積嚴重

#1爐末級過熱器全面檢測：發現全部彎頭產生嚴重的氧化皮脫落堆積堵塞：有447只彎頭堆積脫落的氧化皮占據管截面50%以上（其中堵滿358只），需割管清理；#1爐末級再熱器檢測：發現有131只彎頭存在氧化皮脫落堆積：經檢測分析占據管截面50%以上的有5只，需割管清理。

表1 2012年#1爐高溫超溫考核次數統計表

#1鍋爐本次檢測與2012年4月檢測結果對比，可以看出同臺鍋爐相距半年時間，產生的氧化皮脫落堆積變化非常嚴重；2012年4月#1鍋爐檢測結果：末級過熱器割管清理1只彎頭。2012年11月（本次）#1鍋爐檢測結果：末級過熱器割管清理447只彎頭、末級再熱器割管清理5只彎頭，總割管452只。

結論二：與同類型鍋爐相比，#1爐運行二萬多小時后氧化皮剝落嚴重。

表2 2012年11月份#1爐割管檢查統計表

2 超（超）臨界鍋爐氧化皮生成及剝落原因分析

2.1 氧化皮的生成機理

1929年，德國科學家Schikorr研究發現，金屬可以在高溫水蒸汽中發生氧化，氧化所消耗的氧來源于水蒸汽本身的結合氧。后來通過電子顯微鏡觀察，進一步確定了鐵和水蒸汽直接反應產生金屬氧化物的事實，主要反應化學方程式為：

3Fe+4H2OFe3O4+4H2

2H2O=2H2+O2

西安熱工院對鍋爐管樣的金相分析結果為，鐵素體鋼（T23/T91)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（Fe,Cr)3O4。

2.1.1 影響氧化皮生成的主要影響因素

2.1.1.1 金屬管壁溫度和抗氧化性能

管壁溫度越高，氧化速度越快；抗氧化性能越好，氧化速度越慢。

2.1.1.2 線膨脹系數

金屬與氧化皮之間的線膨脹系數相差越大，越易脫落。

2.1.1.3 氧化皮厚度

氧化皮越厚，導致其脫落的所需應力越小。管壁金屬與氧化皮溫差越大，應力越大。熱負荷和蒸汽溫度越高，導致金屬超溫運行的臨界氧化皮厚度越小(T92/620℃)。鐵素體鋼氧化皮厚度超過0.2mm、不銹鋼氧化皮厚度超過0.1mm，即易于脫落。

2.2 超（超）臨界鍋爐氧化皮剝落的影響因素

2.2.1 蒸汽側氧化膜的剝落特點——剝落應力

圖1 末級過熱器割管清理取出的氧化皮照片

蒸汽氧化的速度取決于時間、溫度和合金的成分，氧化膜失效的形式包括分層和開裂等，失效的主要原因是由于合金和氧化膜的熱膨脹系數差異、蠕脹、生長應力和管子幾何形狀等因素使氧化膜受到的熱應力。

2.2.2 蒸汽側氧化膜的剝落特點——溫度區間

電站鍋爐高溫受熱面管材的氧化膜主要在高溫下生成，當氧化膜溫度偏離其生成溫度時，由于金屬基體和氧化膜熱膨脹系數的不同，氧化膜就會產生熱應力。但鍋爐不可避免地存在著負荷變化、啟動、和停運過程，此時氧化膜的溫度必然會偏離其生成溫度，從而導致氧化膜熱應力的產生，通常溫度的偏離程度越大，產生的熱應力也越大。

2.2.3 蒸汽參數的影響

溫度是主要影響因素，壓力是次要影響因素。溫度越高，羥基氧化鉻分壓就越大，即氧化皮內部產生空穴的速率越大。

2.2.4 材質的影響

表3給出了超（超）臨界鍋爐常用的幾種材質鋼管的實際許用蒸汽溫度上限值。如果在超（超）臨界鍋爐設計、制造時嚴格按照表2的數值選用鋼材，而且在鍋爐運行中嚴格監控超溫現象，那么蒸汽通道氧化皮的生成和剝落就不再是一個嚴重的問題。

2.2.5 蒸汽含氧量的影響

蒸汽含氧量不但對氧化皮內部空穴的生成具有促進作用，對氧化皮的生成同樣也具有促進作用。

2.2.6 時間的影響

不同機組蒸汽通道發生氧化皮大面積剝落和爆管的時間不盡相同，與鍋爐蒸汽參數、運行時間以及OT運行指標等因素有關。

2.2.7 應力對氧化皮剝落的影響

金屬表面氧化皮所承受的應力一般包括：（1）氧化皮的生長應力（與厚度有關）；（2）熱應力（與溫度有關）；

（3）氧化皮膨脹或收縮應力（與線性 膨脹系數有關）；

（4）氧化皮（物態或結構）轉變應力（與Fe2O3所占份額等有關）；

（5）機械應力（與外力有關）。

3 鍋爐氧化皮防范對策

表3 幾種材質的鋼管許用蒸汽溫度

在現有材料水平下，超（超）臨界鍋爐的氧化皮生成與剝落不可避免，因此現實可行的氧化皮治理技術路線為：減緩生成→控制剝落→加強檢查→及時清理。

減緩生成：金屬管壁溫度控制是治理氧化皮問題的關鍵，開展燃燒優化調整降低高溫受熱面屏間熱偏差成為基礎工作。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。

控制剝落：溫度變化產生的熱應力是導致氧化皮剝落的主要原因，蒸汽溫度450℃以上停爐、避免停爐后24h內強制通風冷卻、降低鍋爐啟動速率可以做到150MW負荷以內不投減溫水。對于超（超）臨界鍋爐，減溫水投用提前會使得蒸汽溫度出現大幅波動，從而導致氧化皮的脫落，引發爆管事故的發生。

加強檢查、及時清理：拍片檢查管內堆積情況、氧化皮測厚、內窺鏡檢查管壁脫落情況、割管清理。

3.1 減小高溫受熱面各管屏熱偏差

依據來煤預報和省調負荷曲線制定最佳配煤加倉方式。機組低負荷運行人員提前預控，優化制粉系統運行和配風方式以避免產生管屏產生熱偏差，使管屏平均熱偏差小于5℃，防止受熱面局部長期超溫運行。

3.2 減少高溫受熱面及汽溫超溫運行

3.2.1 做好鍋爐受熱面蒸汽和金屬溫度的監視，嚴禁鍋爐超溫運行仍是首要措施。運行中發現金屬溫度超過允許值，通過降低蒸汽溫度和運行方式調整，任何時候不允許蒸汽參數和受熱面金屬溫度超過允許值運行。定期對鍋爐的蒸汽參數和金屬溫度進行分析。

3.2.2 完善受熱面金屬溫度測點并加強受熱面金屬溫度測點的維護，運行中加強受熱面金屬溫度的趨勢監測。

管壁溫度及汽溫超溫次數與去年同期相比下降了50%。

3.3 優化機組啟停方式

控制鍋爐機組啟停過程中氧化皮的生成與剝落，必須遵循以下基本原則：

（1）機組停運嚴格遵守規程規定，嚴禁鍋爐通風強冷。機組滑停嚴格按照滑停曲線進行。溫度和壓力變化速率均小于規程規定。

（2）機組啟停階段鍋爐盡量減少使用減溫水。

（3）盡量抑制受熱面溫度周期性波動和溫度變化速率，減緩氧化皮剝落。盡可能減少啟停次數、頻度，減緩升溫和降溫速率。機組若停運時，應控制溫度變化率。

（4）機組啟、停動期間應進行受熱面吹掃，停爐過程中利用旁路抽吸，這樣一方面帶走已脫落的氧化皮,另一方面是有意讓氧化皮在計劃檢修中多脫落一些，利用停爐機會檢測消除，避免運行過程堵塞爆管。

（5）在機組起、停過程中速度應盡量平緩,并嚴格將主汽溫變化速率控制在規程允許范圍內,避免蒸汽溫度變化過快導致氧化膜的剝落；運行期間也應注意主汽溫及鍋爐金屬壁溫的監測和調整,加強超溫情況的監督分析,盡量降低氧化膜的生成速率。

（6）鍋爐停爐時應做好鍋爐停爐保養，將鍋爐內表面蒸干，防止受熱面內部腐蝕。

3.3.1 機組啟動過程中技術措施

（1）冷態啟動時，鍋爐進水水溫控制在20—70℃，嚴格控制進水速度，夏季進水時間不小于2小時，冬季進水不小于3-4小時。冬季進水流量控制在100t/h及以下，夏季控制在200t/h及以下。

（2）熱態啟動，控制鍋爐進水溫度與儲水箱內壁溫的溫差不大于50℃，否則應適當延長進水時間，進水流量控制在100t/h及以下。

（4）在升壓開始階段，飽和溫度在100℃以下時，升溫率不得超過1.1℃/min。在汽輪機沖轉前（300℃），飽和溫度升高速率不得超過1.5℃/min。

（5）機組冷態啟動過程中嚴格按照機組升溫曲線控制主再熱蒸汽溫度。在機組冷態啟動過程中，機組并列前的溫升速率控制不高于1.85℃/min，機組并列后的溫升速率控制不高于1.5℃/min。

圖2 #1爐高溫過熱器氧化皮

（6）并網前盡量不投入過再熱器減溫水。可以采取控制燃水比（調節儲水箱溢流量），保持較小的總風量（800-900t/h），改變二次風配置（塔型配風，燃燼風和上層二次風全關），投入高旁減溫水降低冷再溫度等措施。為降低減溫水投入，可以提高沖轉前主再熱蒸汽溫度至400℃，并網前主再熱蒸汽溫度不超過455℃。300MW負荷以下，禁止投入再熱汽減溫水。以減少高溫過熱器和高溫再熱器管壁溫度的變化率。

（7）制粉系統的啟動要緩慢，給煤量要逐步增加，減溫水的投入要謹慎，防止汽溫大起大落。

（8）啟動過程中加強受熱面金屬管壁溫度的監視，控制金屬壁溫均勻上升；發現管壁溫度異常升高時，穩定燃燒工況運行，停止升溫升壓。

（9）受熱面金屬管壁溫度出現報警，穩定燃燒工況運行無法消除異常時，通過降低蒸汽溫度調整，加強蒸汽吹灰，無效時考慮降低機組負荷運行；任何時候不允許蒸汽參數和受熱面金屬溫度長時間超過允許值運行。

（10）機組啟動結束，在24小時內盡量維持機組較高負荷運行，以提高管內的蒸汽流速，將管內殘存的氧化皮盡快清除；并盡量避免機組負荷變動和與爐膛熱工況大幅度擾動的有關操作，防止在管內殘存的氧化皮未清除的情況下新的氧化皮脫落。

3.3.2 機組停運過程中技術措施

（1）機組正常停機盡量避免采用大量投入減溫水的滑停方式，一般在鍋爐轉濕態前，通過汽機旁路降低負荷，在主再熱汽溫度480℃-500℃，過再熱減溫水全關后，磨煤機抽完粉直接打閘停爐；

（2）如采用滑參數停機，滑停過程中屏過、高過和高再出口蒸汽溫度的溫度變化率不高于1.5℃/min；

（3）為預防停爐后受熱面管內積水造成停運腐蝕，分離器壓力1.2MPa時鍋爐帶壓放水；

（4）停爐后應悶爐24小時，不得進行通風冷卻、換水冷卻、打開人孔門等工作，并維持爐底水封正常，以防止氧化皮脫落。悶爐結束后采取自然通風方式，冷空氣通過空預器加熱后進入爐膛，省煤器前煙氣溫度低于200℃后可停止爐底水封，并關閉液壓關斷門；

（5）機組由于故障緊急停機，爐膛通風10分鐘后立即停止送、引風機運行并關閉送風機出口和引風機進、出口擋板進行悶爐，防止受熱面快冷。

3.3.3 進行鍋爐氧化皮吹掃

（1）冷態啟動，當啟動分離器壓力至6MPa且高旁開度到60%左右（給煤量不大于25t/h），利用高低壓旁路對過熱器和再熱器分別進行蒸汽大流量沖洗3次。

（2）過熱器沖洗：將低壓旁路開度放置在100%位置，將高壓旁路關小至10%，再迅速將高壓旁路開啟至100%位置，5分鐘后或分離器壓力降至3MPa時恢復高旁開度；若沖洗過程中，末級過熱器管壁溫度下降幅度超過10℃，則適當關小高壓旁路。

（3）再熱器沖洗：維持高壓旁路80%開度，關小低壓旁路至再熱汽壓力1MPa，再迅速將低壓旁路開至100%，每次沖洗5分鐘。若沖洗過程中，末級過熱器、末級再熱器管壁溫度下降幅度超過10℃，則適當關小高壓旁路。

（4）吹掃工作結束后，逐一開啟過再熱器出、入口聯箱疏水門進行排污，分別排污5分鐘后關閉。

（5）過熱器、再熱器吹掃階段，每30min化驗一次熱井、凝水鐵含量，每小時化驗一次給、爐水鐵含量，密切關注熱井及凝水鐵的變化情況，并通過儲水箱溢流和除氧器排污方式，控制給水Fe≤50ug/l、爐水Fe≤50ug/l。

3.4 機組正常運行優化調整

（1）機組運行中正常升、降負荷速率不超過6MW/ min，在300MW-600MW負荷區間內升、降負荷要維持屏式過熱器、高溫過熱器、再熱器出口蒸汽溫度穩定，如由于升降負荷的擾動造成上述溫度的波動大，要適當降低機組的升、降負荷速率或暫停升降負荷，待汽溫穩定后繼續進行負荷變動操作。

（2）機組升降負荷時盡量控制主蒸汽和再熱蒸汽溫度變化率小于1.5℃/min。

（3）加強汽溫監督，嚴格按照規程要求的溫度范圍控制過再熱器出口汽溫不超限。

（4）加強受熱面金屬管壁溫度的監視，出現金屬管壁溫度報警應立即降低蒸汽溫度運行，若降低溫度運行后金屬溫度還是超限，應降低機組負荷直至報警消除。

（5）控制過熱器出口蒸汽溫度兩側偏差不超過10℃，屏式過熱器出口蒸汽溫度兩側偏差不超過15℃，再熱器出口蒸汽溫度兩側偏差不超過15℃，并且運行中按照溫度最高點控制蒸汽溫度。

（6）為防止爐膛熱工況擾動造成受熱面超溫，正常運行中一、二級減溫水應處于可調整的中間位置，嚴禁大幅調節過再熱汽溫度。

3.5 加強運行人員專業技術培訓

根據最新國家特種設備安全法，所有鍋爐安全管理人員和操作人員均應參加國家質檢局特種設備檢測院的三級鍋爐司爐工培訓，考核合格持證上崗，提高鍋爐運行人員對鍋爐高溫受熱面氧化皮的剝落問題危害的認知，讓運行人員對所操作超（超）臨鍋爐所用金屬材料機械性能及其標準、組織結構、金屬監督、影響汽水系統金屬腐蝕的因素進一步的了解和掌握，提高運行人員的鍋爐操作和事故應急處理操作技術水平。

3.6 加強氧化皮檢測，做到“逢停必查”，建立氧化皮臺賬

表4 #1爐割管統計對比表

鍋爐高溫受熱面氧化皮脫落堆積情況檢測十分必要，及時掌握高溫受熱面氧化皮的生成脫落狀況，做到“逢停必查”，能夠及時消除氧化皮剝落堆積堵塞管道爆管的重大隱患，保障鍋爐安全運行。

（1）2012年11月份小修，#1爐末級過熱器全面檢測：發現全部彎頭產生嚴重的氧化皮脫落堆積堵塞：447只彎頭堆積脫落的氧化皮占據管截面50%以上（其中堵滿358只），會堵塞管道引起爆管，需割管清理。#1鍋爐末級再熱器：發現有131只彎頭存在氧化皮脫落堆積：經檢測分析占據管截面50%以上的有5只，需割管清理。

（2）做到鍋爐“逢停必查”，及時掌握高溫受熱面氧化皮的生成脫落狀況并割管清除氧化皮。機組大修期間必須對過熱器管和再熱器管進行全面檢查。對于氧化皮堆積高度超過通徑1/2的管子，應該進行割管處理。

4 結果

4.1 鍋爐大修割管檢查情況

2013年4月#1爐大修高溫受熱面氧化皮檢測報告如下：

（1）檢測情況∶ #1爐末過熱器不銹鋼彎頭全面檢測，發現#1爐高溫過熱器有4只不銹鋼彎頭存在氧化皮脫落堆積：占據管截面80%以上的有1只，需割管清理。對#1爐末級過熱器彎頭全面檢測的同時對直管附著的氧化皮及之前割管的焊縫也進行檢測：發現有367只彎頭存在氧化皮脫落堆積，根據占據管截面的情況并結合直管附著的氧化皮狀況，需割管清理總計31只。#1爐末級再熱器檢測：發現有79只彎頭存在氧化皮脫落堆積：經檢測分析占據管截面皆在50%以下，其彎頭堆積脫落的氧化皮不會阻礙蒸汽介質的通流而影響熱交換，無需割管清理，只做記錄以備下次檢修監督檢查。

（2）檢測結論：通過對#1爐高溫受熱面不銹鋼管進行氧化皮脫落堆積檢測,可見本次該爐產生氧化皮脫落堆積堵塞狀況較輕，說明該爐運行、停爐時溫度控制及化水處理較好，停爐保養較好，管壁雖然產生氧化皮，但沒有產生大量的脫落堆積堵塞。

4.2 氧化皮治理前后割管數對比（見表4）

4.3 效益分析

（1）鍋爐再熱器壓損每升高1%發電煤耗增加0.2305g/kWh；600MW機組非停一次直接經濟損失約100萬元。

（2）減少了管材更換及檢修費用，并且避免了高溫受熱面爆管泄露而造成的機組非計劃停運，取得了巨大的經濟效益。

5 結語

本文詳細闡述了鍋爐高溫受熱面蒸汽側氧化皮形成、剝落、堵塞的機理及其危害，從鍋爐檢修、運行、化學和金屬監督檢測等幾個方面進行全面分析，總結運行檢修經驗教訓，提出了預防和控制氧化皮剝落堆積堵塞鍋爐高溫受熱面的運行技術措施并加強鍋爐氧化皮檢測，做到“逢停必查”，建立鍋爐氧化皮檢測臺賬。運行實踐表明，取得了良好的效果，提高了鍋爐機組運行的安全性。

[1]姜求志，王金瑞.火力發電廠金屬材料手冊[M].北京：中國電力出版社，2000.

[2]芩可法，周昊，池作和.大型電站鍋爐安全及優化運行技術[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3]王殿仲，徐憲龍.630MW超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮形成及脫落原因分析[J].發電設備,2008，22(4):310-312.

[4]中國電力企業聯合會標準化中心.DL/T 438-2009火力發電廠金屬技術監督規程[S].北京：中國標準出版社，2009.

[5]肖芝林，陳輝.1030MW超超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮大量生成及脫落的原因分析[J].鍋爐制造,2014(2):37-39.

[6]高清林，陳敦炳.600MW超臨界鍋爐高溫受熱面蒸汽氧化初探[J].鍋爐技術,2016,47(2):76-80.

[7]于沛東，關鑫源，石寶云，丁建兵.超臨界鍋爐高溫受熱面氧化皮分析及防治[J].中國特種設備安全,2013(4):45-47.

[8]曾令大，張開利，陳啟卷，賈建民.超臨界鍋爐蒸汽側氧化皮生成原因與對策[J].中國電力,2010,43(12):46-50.