電站鍋爐氧化皮的防治研究

嚴曉哲，楊平

(1.廣東省特種設備檢測研究院，廣東 佛山 528251；2.廣東省特種設備檢測研究院 佛山檢測院，廣東 佛山 528251)

0 引言

隨著電站機組技術的發展，國內超臨界、超超臨界機組日益增多。高溫受熱面管氧化皮問題也隨著管內蒸汽壓力與溫度的提高而不斷加劇。

氧化皮問題對電站機組主要有以下危害：(1)在機組啟停過程中，受熱面管內的氧化皮會剝落，導致蒸汽流通面積減小，管子局部過熱、變形甚至爆管(通常發生在高溫過熱器U型管屏底部彎頭附近)；(2)剝落的氧化皮碎屑會被蒸汽帶入汽輪機，損傷噴嘴、葉柵等汽輪機通流部分；(3)剝落的氧化皮可能會造成蒸汽閥門卡澀，影響閥門的正常關閉。這些問題都會給電站機組的安全、經濟運行造成重大影響。

某發電公司#2鍋爐采用上海鍋爐廠的1 913 t/h超臨界壓力П型直流鍋爐。其額定工況下主蒸汽壓力25.4 MPa，溫度571 ℃；再熱蒸汽熱段壓力4.17 MPa，溫度569 ℃。其末級過熱器管屏底部在檢修結束啟爐運行后不久即發生了一次爆管事故。此次事故是2013年～2017年累計發生的第4次爆管事故，且吹損、吹傷多根臨近的過熱器管，給電廠帶來嚴重的經濟損失。因此，對受熱面管氧化皮的生成機理、防護與治理技術的研究非常重要。

1 氧化皮生成及剝落機理

朱朝陽等[1～4]研究了鍋爐高溫受熱面管蒸汽氧化皮的生長與剝落特性；徐洪[5]在“環境破壞說”的基礎上闡釋了鍋爐高溫受熱面氧化皮剝落的理論；張志遠等[6]從基建、調試及生產方面提出了對氧化皮的防治措施。

通過上述研究和理論表明，鍋爐受熱面管內氧化皮的生成，是金屬管子與高溫蒸汽發生化學反應的結果，其反應式如下。

3Fe=Fe2++2Fe3++8e-

(1)

4H2O=4OH-+4H+

(2)

Fe2++2Fe3++4OH-=Fe3O4+4H++8e-

(3)

4H++4H++8e=4H2

(4)

3Fe+4H2O= Fe3O4+4H2

(5)

通常，當蒸汽溫度超過400 ℃時，金屬管的氧化反應速率會因高壓、高溫蒸汽環境而加速；在570 ℃以下，管子形成的氧化皮主要是由Fe2O3和Fe3O4組成的較致密的氧化膜，可以避免金屬被進一步氧化；當溫度超過570 ℃時，氧化膜主要由FeO、Fe2O3和Fe3O4組成，FeO處于最內層且致密性差，會破壞氧化膜的穩定性，使金屬與蒸汽持續發生反應[5]。

由于氧化皮各層氧化物與管子基體金屬熱膨脹系數的差異，產生的熱應力會導致氧化皮開裂和剝落。受熱面管長期在接近或超過材料使用溫度限值的環境中使用，會導致管內壁氧化皮快速形成。在機組啟停運過程中，受熱面管壁溫度大幅變化，產生的熱應力會促使氧化皮發生剝落。

溫度變化引起的應變一旦超過管子允許應變，氧化皮就會剝落[7]。氧化皮受應力作用發生剝落時對應的臨界溫度降幅如下式。

(6)

式中：ΔTc為降臨界溫度降幅，℃；γF為界面間斷裂能，kJ，取決于管材和氧化皮的機械性能；ξ為氧化皮厚度， mm；EOX為彈性模量，GPa；αm、αOX分別為金屬基體、氧化皮的線膨脹系數，1/℃；υ為泊松比。

金屬氧化皮的剝落受多種因素影響,除其物性參數外，與受熱面管運行中氧化皮的厚度和溫度變化幅度密切相關。

2 氧化皮預防

2.1 運行控制

(1)避免機組的局部或整體超溫運行,是防止鍋爐高溫受熱面管氧化皮快速形成的主要措施。主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度都應控制在管材允許使用溫度范圍內。當發生超溫情況時，應當及時進行燃燒調整，降低主、再熱蒸汽運行溫度。當受熱面管壁持續超溫時，則應采取相應緊急措施，并記錄備案。

(2)減少爐膛出口煙溫偏差，防止過熱器出口蒸汽溫度差過大。加強高溫段過熱器、再熱器等管壁溫度監控，對超溫情況進行分析和統計，判斷是否需要縮短檢驗周期。

(3)啟、停爐時嚴格控制溫度變化幅度，按照啟、停機曲線操作。對于因氧化皮問題引起頻繁爆管的機組，應適當降低鍋爐啟、停溫度控制速率，減緩氧化皮的剝落。

(4)調整蒸汽參數時，先做燃燒調整，盡量控制減溫水的投用。

(5)加強對水處理設備的監控與管理。依據GB/T 12145—2016《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量標準》嚴格控制汽水質量。

2.2 定期檢驗

(1)加強停爐后對鍋爐部件的檢查，定期清理過熱器和再熱器集箱的泥垢、異物等。建議根據電廠實際運行情況，對高溫過熱器(以下簡稱高過)出口集箱和高溫再熱器(以下簡稱高再)出口集箱進行定期金相組織分析。

(2)加強對爐內高過和高再管的檢查，定點監測高溫段過熱器和再熱器的高溫出口段管子的氧化皮厚度、脹粗量及金相組織情況，必要時割管分析。

(3)可采用射線或磁性檢測技術，對過熱器和再熱器管屏底部彎頭部位采取重點檢查，必要時進行割管與化驗分析。

2.3 氧化皮檢測

目前常用的氧化皮檢測方法有射線檢測、磁性檢測、高頻超聲檢測、聲振檢測等方法，其中磁性檢測技術與高頻超聲檢測方法應用較普遍。

(1)射線檢測方法，依據X射線或γ射線在穿透被檢物各部分時強度衰減不同的原理進行檢測。底片顯示直觀、易于觀察、記錄性好；但成本高、操作不便、對氧化皮厚度測量分辨率低。

(2)高頻超聲檢測方法，依據鋼管和氧化皮界面兩側物質密度和聲阻抗不同的原理進行檢測。操作方便、效率高，精度可達到0.01 mm，可對管內壁氧化皮厚度進行測量；但由于聲波在粗晶材料中衰減較大，在晶界處易發生反射、折射等現象，不適用于粗晶管材的氧化皮檢測。采用T91管材的鍋爐常使用該方法進行氧化皮檢測。

(3)聲振檢測方法，根據聲振動信號的特征參數——衰減系數的變化來判別管內氧化皮堆積程度。該方法不受鋼材材質和磁性因素影響，可用來測量彎管內氧化皮堆積程度；但操作過程容易受噪聲干擾，測量裝置有待進一步研究[8]。

(4)磁性檢測方法，依據奧氏體鋼與其內壁氧化皮的磁性不同的原理進行檢測。該方法可對管內堆積氧化皮情況進行檢測，操作靈活、方便、效率高；但僅適用于奧氏體不銹鋼管的檢測，對鐵素體鋼管無法檢測，也無法對未脫落的氧化皮進行厚度測量。

使用單位應根據鍋爐高過和高再的管材情況和使用情況制定合理的檢驗方案。對于常發生爆管的部位，應根據現場條件選擇合適的單項檢驗或組合檢驗方法，必要時擴大檢驗范圍。氧化皮的檢測新技術、新裝置有待進一步研究。

2.4 評估與預測

孫璽等[9]開發了基于B/S結構的火電廠鍋爐管氧化皮脫落風險預警系統，可用于鍋爐管內壁氧化皮脫落傾向較大的機組。黃鑫等[10]對有氧化皮堆積的過熱器管進行壽命預測，依據Robinson法則確立管材失效準則，將管內氧化皮堵塞程度分類，并提出相應處理辦法。使用單位應根據鍋爐運行情況及定期檢驗數據，對鍋爐過熱器、再熱器管子進行安全評估及預測，對于減少鍋爐事故及非計劃正常停機具有重要意義。

3 氧化皮治理

3.1 化學清洗

鍋爐的過熱器與再熱器結構復雜、材質種類多(包括T22、T23、12Cr1MoVR、T91、TP347、Super304等)。由于這些材料在高溫過熱蒸汽中生成的氧化物形態各不相同，化學清洗存在諸多難點。鍋爐的化學清洗試劑應具備對氧化皮的剝離量小、溶解效果好、對材料的腐蝕速度低、對奧氏體不銹鋼材質無晶間腐蝕等特點。鄧宇強[11]等自制的復合有機酸清洗劑，對T22、12Cr1MoVR、T91和TP347 四種過熱器管子的氧化皮有良好的清洗效果。

3.2 換管

對氧化皮問題嚴重的機組，建議根據DL/T 715—2015《火力發電廠金屬材料選用導則》，選擇抗高溫氧化性能和抗高溫腐蝕性能良好的管材：超臨界機組的高過與高再溫度較高區段可選擇 TP347HFG 或經內壁噴丸處理的18-8奧氏體耐熱鋼；溫度較低段可選擇TP304H、TP347 HFG、TP316H、T91等材料；超超臨界機組的高溫過熱器、再熱器管可選擇TP310HcbN、HR3C或內壁噴丸處理的S30432、Super304H等材料。換管過程中，應注意控制焊接及熱處理工藝，并對焊口進行射線檢測及表面無損檢測，確保焊接質量。

4 結論

(1)金屬管與高溫蒸汽發生化學反應會產生氧化皮，嚴重危害鍋爐設備的安全生產，應加強運行監控，避免機組超溫、超壓運行。

(2)應對高溫過熱器管、再熱器管定期檢驗，重點位置定點監測脹粗情況、氧化皮厚度及堆積情況，并依據檢測情況對管子進行安全評估、預測，必要時割管分析。

(3)當受熱面管內氧化皮達到一定厚度時，應選擇合適的清洗介質進行酸洗。

(4)氧化皮的檢測新技術、新裝置有待進一步研究。

參考文獻：

[1]PENG X,YAN J,ZHOU Y,et al.Effect of grain refinement on the resistance of 304 stainless steel to breakaway oxidation in wet air[J].Acta Materialia,2005,53:5079-5088.

[2]朱朝陽,劉紹強.超超臨界機組過/再熱器氧化皮生長試驗研究[J].熱力發電,2016,45(07):120-124.

[3]趙永寧，劉爽，魏玉忠.超(超)臨界鍋爐管用材料的缺陷和失效分析[J].熱力發電，2010,39(4)：36-41.

[4]楊景標,鄭炯,李樹學,等.鍋爐高溫受熱面蒸汽側氧化皮的形成及剝落機理研究進展[J].鍋爐技術,2010,41(06):44-50.

[5]徐洪.基于“環境破壞說”的氧化皮剝落理論[J].動力工程學報,2012,32(09):733-740.

[6]張志遠,丁明青.660 MW超臨界鍋爐氧化皮防治介紹[J].鍋爐技術,2011,(03):63-66.

[7]唐海寧.大容量電站鍋爐金屬氧化皮問題綜合分析[D].南京:東南大學，2006.

[8]彭嘯,李曉紅,劉云,等.高溫受熱面彎管氧化皮堆積的聲振法檢測研究[J].中國電機工程學報,2011,(08):104-107.

[9]孫璽，杜保華，王大鵬，等.火電廠鍋爐管內壁氧化皮脫落風險預警系統研發與應用[J].熱力發電,2013,(08):90-93.

[10]黃鑫,丁克勤,趙軍.蒸汽側有氧化皮堆積的過熱器管壽命預測[J].熱力發電,2013,(07):88-91.

[11]鄧宇強，曹杰玉，張祥金,等.火電廠過熱器化學清洗配方及工藝研究[J].中國電力，2013,03(46),78-80.