超臨界機組末級再熱器氧化皮治理與預控

劉文

摘 要：本文介紹了華能威海發電廠末級再熱器氧化皮產生的原因，分析了氧化皮的生成機理和剝離機理，論述了氧化皮剝離對機組運行的危害性，提出了一些防范措施。

關鍵詞：氧化皮;爆管;剝落原因;超臨界機組;防范措施

中圖分類號：TM621.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）20-0072-03

Abstract： This paper introduces the causes of the oxide scale of the final reheater of Huaneng Weihai Power Plant， analyzes the formation mechanism and peeling mechanism of oxide scale， discusses the harmfulness of oxide scale peeling to the operation of the unit， and puts forward some preventive measures.

Keywords： oxide scale; tube explosion; cause of spalling; supercritical unit; preventive measures

近年來，隨著超（超）機組鍋爐運行時間的增長，末級再熱器的高溫氧化問題越來越突出，由高溫受熱面管內壁蒸汽氧化所引起的氧化層剝落造成管子堵塞爆管的現象時有發生，嚴重影響了機組的安全運行[1-2]。當前，必須采取有效措施控制其生長速率及剝落速率，才能降低鍋爐非停。本文結合華能威海電廠680 MW超臨界機組實際情況，分析鍋爐高溫受熱面管氧化皮集中剝落原因，提出防止氧化皮集中剝落的預防措施。

1 設備及爆管情況簡介

1.1 設備情況簡介

華能威海電廠三期工程（#5、#6機組）2×680 MW鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責任公司引進三菱重工業株式會社技術進行設計、制造的超超臨界變壓運行直流鍋爐。鍋爐技術參數如表1所示。

1.2 末級再熱器結構

末級再熱器結構如表2所示。入口集箱尺寸為[Φ]610 mm×55 mm，材質為SA355-P22。末再蛇形管共70片，每片由11根管組成，其材質為SA-213TP347、Super304和SA213TP310HCbN。高再出口集箱尺寸為[Φ]711 mm×65 mm，材質為SA355P91。再熱蒸汽管尺寸為[Φ]914 mm×47 mm，材質為SA-355P92。

1.3 爆管情況簡介

2012年7月首次因氧化皮脫落堆積發生爆管，投產發電只有7 000 h左右，至2014年底，已經發生因氧化皮脫落堆積泄漏爆管4次，氧化皮脫落堆積量最多時單根管內重達1 022 g（見圖1）。2012年7月，停機爐內檢查情況發現末級再熱器爆口（見圖2），爆口為喇叭狀，長度為62 mm，寬度為26 mm，端面光滑，破口兩邊為撕裂狀，為短期超溫爆口特征;2014年5月，高再爆管爆口未全面爆開（見圖3），長度為24 mm，爆口附近有眾多平行的軸向裂紋，為長期超溫爆口特征。

1.4 爆管原因分析

鍋爐受熱面內壁金屬溫度高于金屬適用抗氧化溫度是造成鍋爐管氧化皮快速生長的最主要因素[3]。鐵和鋼外表面出現氧化現象，原因是含有鐵元素的氧化鐵和水反應，生成Fe3O4并放出氫。

[3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2↑] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

當鐵和鋼的溫度不大于570 ℃時，生成的氧化膜由Fe3O4和Fe2O3組成，Fe3O4和Fe2O3都比較致密（尤其是Fe3O4），氧化層形成，因而可以保護鋼材，以免進一步氧化;當鐵和鋼超過570 ℃時，氧化膜由Fe3O4、Fe3O4、FeO三層組成（FeO在最內層），即氧化皮主要由FeO組成，FeO是不致密的，隨著溫度的升高，氧化過程加劇，一定高溫下，FeO被氧化成Fe3O4，溫度越高，氧化還原程度越明顯，內外層的擴散速度差是造成氧化皮空洞的主因。由于溫度的影響加劇了空洞和氧化皮的生成（見圖4），內層鉻含量高，內層擴散速度低，外層擴散速度慢。

Fe3O4和含鉻氧化物等各層之間因膨脹系數差異所產生的過大熱應力是導致氧化皮發生剝落的主要因素，氧化皮越厚，溫度變化越劇烈，則氧化皮剝落的傾向越大。這和煙氣和蒸汽溫度的變化速率、系統壓力變化速率有關。在機組升降負荷、制粉系統切換的過程中會出現溫度波動和壓力波動，尤其是機組啟動和停止、停爐冷卻期間，溫度和壓力的變化更為劇烈。溫度和壓力的波動均會造成氧化皮和基材結合面產生應力，該應力超過氧化皮的附著力時，氧化皮發生脫落。幾種鋼材和氧化物的熱膨脹系數如表3所示。

1.5 氧化皮剝離有兩個主要條件

鋼在高溫作用下生長氧化層并達到一定厚度，奧氏體鋼為0.05～0.14 mm;鐵素體型鋼為0.20～0.30 mm;管子壓力和溫度大幅度變化對氧化皮產生較大的應變作用，啟停機組的冷卻速率較高，易造成氧化皮大量脫落。

2 預控措施

2014年4月，華能威海電廠組織全國金屬監督專家，召開高溫再熱器氧化皮脫落專題會議，根據《高溫氧化皮專題研討會會議紀要》，從以下幾個方面制定了防范措施。

2.1 運行中的措施

2.1.1 嚴格控制受熱面蒸汽和金屬溫度，嚴禁鍋爐超溫運行。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加以調整，若蒸汽吹灰無效，要考慮降低機組的負荷運行;當出現金屬溫度普遍超溫卻調整無效，降負荷處理仍無法恢復到允許值以下時，要逐級匯報;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。

利用SIS對鍋爐的金屬溫度和蒸汽超溫情況進行定期分析，分析報告附運行月分析報告中，作為機組檢修的參考數據。

2.1.2 加強受熱面的熱偏差監視和調整，防止受熱面長期超溫運行。鍋爐運行過程中，再熱器出口蒸汽溫度左右偏差不超過10 ℃，并且運行中按照溫度高點控制蒸汽溫度，防止爐膛工況擾動造成受熱面超溫。正常運行中，一、二級減溫水和再熱器煙氣擋板處于可調整的中間范圍之內，減溫水調節采用小幅度多次操作，不允許一次大幅度開、關，盡量控制受熱面溫度周期性波動和溫度變化速率，減緩氧化皮脫落。

2.2 機組停爐過程中采取的防范措施

機組正常滑停過程中，控制分隔屏、后屏、高過、高再出口蒸汽溫度的變化速率不高于2 ℃/min，執行停爐悶爐72 h。

機組事故停爐過程中，爐膛通風10 min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，防止時受熱面溫度快速降低。控制高溫過熱器、屏式過熱器、高溫再熱器出口蒸汽溫度和上述受熱面金屬溫度降溫速率不超過3 ℃/min，主、再熱壓降速率不大于0.3 MPa/min;不允許進行強制冷卻，執行悶爐時間大于72 h，預防機組停爐過程中產生奧氏體不銹鋼氧化皮脫落。

2.3 機組啟動過程中的防范措施

啟動過程中嚴格控制蒸汽溫度，冷態啟動過程中，溫升速率控制不高于3 ℃/min，機組并列后控制不高于2 ℃/min。熱態啟動過程中控制屏過、高過、高再溫升速率為5～6 ℃/min，

加強啟動過程中疏水的回收和排放管理，防止不合格的輸水進入主系統，嚴格執行冷態沖洗和熱態沖洗水質指標的控制。機組啟動階段，在高、低旁開啟前主蒸汽管道、高旁前、主汽門前、再熱器管道、中壓主汽門前疏水要開啟，發電機并列后再關閉上述疏水。

啟動過程利用蒸汽的攜帶原理盡量清除沉淀在管內的氧化皮，在機組沖轉前，將主汽參數控制為壓力6 MPa、溫度350～400 ℃，將再熱蒸汽參數控制為壓力>1.1 MPa、溫度350～400 ℃;保證上述參數后，盡量提高熱負荷，開大高低旁，利用大流量的蒸汽攜帶氧化皮，沖洗時要求每1 h對凝結水的品質進行取樣分析，如果介質中的鐵離子含量呈低-高-低后穩定時，表明沖洗效果明顯。

2.4 機組檢修過程中的防范措施

加強減溫水調節門檢修，完善其自動化控制。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，運行中利用SIS加強受熱面金屬溫度的趨勢監測，根據受熱面金屬溫度變化情況指導停爐后受熱面內氧化皮的檢查分析。

機組大修前可以不采用燜爐方式進行停爐，開啟引風機加速冷卻，使生成的氧化皮迅速脫落。氧化皮堆積測量儀對所有過熱器、再熱器不銹鋼管U形彎頭進行檢測，利用機組大修機會割管清理。

3 結論

通過采取上述措施，華能威海電廠有效地消除了氧化皮脫落對機組穩定運行的影響。截至目前，未發生因氧化皮脫落堵塞導致再熱器爆管的事故，治理效果明顯。下一步繼續對氧化皮進行監督及治理，以期為該技術難題的解決提供更多經驗。

參考文獻：

[1]蘇猛業，金萬里.超（超）臨界機組鍋爐氧化皮監控及綜合治理技術[J].電力建設，2012（11）：49-53.

[2]翁金鈺.600 MW超臨界機組末級過熱器管爆管原因及對策[J].電力與電工，2012（3）：54-58.

[3]薛森賢.超臨界鍋爐氧化皮剝落爆管原因分析及對策研究[D].廣州：華南理工大學，2010.