600 MW 超超臨界鍋爐高溫氧化皮問題分析與防治

雷中輝，鐘 強

（華能岳陽電廠，湖南岳陽 414002）

0 引言

目前，鍋爐過熱器管內壁氧化皮脫落堵塞超溫甚至爆管已成為了很多火電廠面臨的一個巨大難題，嚴重影響機組的安全運行，給火電廠帶來很大的經濟損失。因此，開展對氧化皮問題的分析與研究并提出相應的防治處理措施就顯得非常迫切和必要，這也是很多火電廠和科研院所攻關的課題。

1 某超超臨界機組概況

某大型火電廠三期5#、6#超超臨界機組分別于2011 年1 月和2011 年7 月投入運行。鍋爐采用П 形布置、一次中間再熱、平衡通風、墻式切圓燃燒、固態排渣、全懸吊結構，過熱器系統沿蒸汽流程依次為一級低溫過熱器、二級分隔屏過熱器、三級屏式過熱器和四級末級過熱器，再熱器則沿蒸汽流程分成低溫再熱器和高溫再熱器兩級。過熱蒸汽調溫方式以煤水比為主，噴水減溫為輔；再熱蒸汽則使用調溫擋板和燃燒器的擺動來調節溫度，同時在低溫再熱器入口管道上還設置有事故噴水減溫器[1]。

（1）末級過熱器沿爐寬方向布置有51 片管屏，每片管屏由16根管并聯繞制而成，根據需要設計了不同規格的管道，主要規格為Φ44.5×7.5 mm（SA-213TP347H）、Φ44.5×8.5 mm（A-213S30432）、Φ44.5×9 mm（A-213S30432）。

（2）后屏過熱器共有32 片屏，每片屏由18 根管組成，管道材料為213TP347H、Super304H 和SA-213TP310HCbN，管徑為51.0 mm/63.5 mm，平均壁厚8.0～11.5 mm。

（3）分隔屏過熱器共有8 個大片屏，每個大屏又由4 個小屏組成，每個大屏各有64 根Φ54.0 mm 的管，平均壁厚8.0～11.0 mm，分別采用12Cr1MoVG 和TP347H 材料，而每小片屏的外圈采用Φ60.0 mm 管，以增加壁溫裕量。

（4）高溫再熱器共64 片，每片由11 根管組成，管道規格為Φ57.0 mm/Φ60.0 mm，其材料為TP347H、Super304H 和SA213TP310HCbN，壁厚為4.0 mm。

2 氧化皮產生及脫落機理

2.1 氧化皮的生成機制

研究表明，超超臨界機組蒸汽溫度很高，在570 ℃時水蒸汽的氧化能力很強，高溫受熱面管內壁就會與水反應生成Fe（OH）2，其飽和后在一定溫度范圍內轉化為Fe3O4。而當溫度高于570 ℃時，內部氧化物的分布就變為FeO、Fe3O4、Fe2O3這3層物質組成（FeO 在最內層），其厚度比約為100∶10∶1[2]。因FeO致密性差，結構疏松，破壞了整個氧化皮的穩定性，使氧化皮容易脫落堵塞管道。

氧化皮的生成與溫度、時間、氧量、壓力、流速、鋼材成分等有關。通常認為，溫度越高、流速越快，生成速度越快。國內外的研究表明，金屬表面的氧化膜并不是由生蒸汽中的溶解氧和鐵反應形成的，而是由水汽本身的氧原子氧化表面的鐵所形成。在570 ℃以上，水分子會分解為氫、氧原子，這充分滿足了氧化反應的需要[3]。

2.2 氧化皮的脫落機制

鍋爐受熱面管子長期在高溫環境中運行，內壁會不斷生產氧化皮并附著在管壁上。當滿足以下兩個主要條件時，受熱面管子內壁的氧化皮就會發生脫落：①氧化層達到一定厚度，通常不銹鋼為0.1 mm、鉻鉬鋼為0.2～0.5 mm；②溫度變化幅度大、速度快、頻度高[4]。

奧氏體不銹鋼鋼材的膨脹系數與其氧化皮的膨脹系數差別較大：當氧化層達到一定厚度后，在溫度發生變化尤其是反復或劇烈變化時，因膨脹系數的差異所造成的熱應力使氧化皮很容易從金屬本體脫離[5]。所以，發電機組在啟停或負荷及溫度劇烈變化時，鍋爐受熱面內壁氧化皮就有可能發生大面積脫落。

一般氧化皮堆積堵塞管徑小于1/3 不會引起爆管風險，但需要記錄跟蹤檢測，堵塞管徑達到1/2 就會引起管道過熱、氧化速度加快，形成一種惡性循環，長時間有爆管風險，需要割管清理。當堵塞管徑大于1/2 乃至整個管徑，就會引起管道短期過熱爆管，甚至在鍋爐啟動時就爆管，當然需要割管清理[6]。

3 存在問題及原因分析

3.1 存在問題

該電廠5#鍋爐最早在2013 年12 月6 日后屏過熱器第16-9（前數為爐左至爐右屏數，后數為內圈到外圈根數）開機中出現超溫現象，停機后檢查發現，第16-9 管U 形管圈爐前側彎頭氧化皮堵塞約70%，電廠割管進行了清理。后續電廠經過與鍋爐廠聯系以及同類型機組的他廠調研，制訂了氧化皮逢停必檢的方案，先后在鍋爐分隔屏過熱器、后屏過熱器、末級過熱器和高溫再熱器中發現氧化皮堵塞情況，已多次造成電廠末級過熱器、后屏過熱器超溫情況，嚴重威脅到機組安全穩定性。

截止2016 年底，電廠兩臺爐已檢查19 臺次，共查出氧化皮堵塞超標管907 根（其中5#鍋爐801 根，6#鍋爐106 根）。特別是2016 年5#機組進行低氮燃燒器改造及給水加氧運行后，在11 月機組計劃停運檢查中發現，5#鍋爐末級過熱器、后屏過熱器、分隔屏過熱器、高溫再熱器管道中氧化皮堆積量超標管（≥30%）共計712 根，給機組運行帶來嚴重影響。

3.2 原因分析

對于同一種鋼材，溫度是決定氧化皮生長速度的關鍵因素，超溫會使氧化皮生長速度成倍增加。電廠分隔屏過熱器進口金屬壁溫報警值為525 ℃，后屏、末過出口金屬壁溫報警值為630 ℃，高溫再熱器出口金屬壁溫報警值為635 ℃。實際運行中5#、6#鍋爐額定負荷時末級過熱器、后屏過熱器出口管壁金屬溫度均在600～620 ℃，高溫再熱器出口管壁金屬溫度均在590～610 ℃，分隔屏過熱器進口管壁金屬溫度在500 ℃左右。通常爐外測點溫度比爐內實際爐管的溫度要低40～50 ℃。

從5#、6#鍋爐過熱器和再熱器管材分布情況可以看出，5#、6#鍋爐出現氧化皮剝落的末級過熱器、后屏過熱器、分隔屏過熱器、高溫再熱器一共存在SA213TP310HCbN、A-213S30432、SA213TP347H、12Cr1MoVG 這4 種材料，前三種為奧氏體不銹鋼，最后一種為鐵素體+貝氏體鋼。從氧化皮的生成、剝落機理來看，奧氏體不銹鋼是造成電廠鍋爐過熱器氧化皮剝落堵管的主要材料原因。

據資料統計分析：亞臨界機組正常溫度運行（541 ℃），氧化物高峰期應在35 000 h 左右出現脫落堵塞管道，國內機組高峰期最早的在33 000 h 左右；超臨界機組正常溫度運行（571 ℃），氧化物高峰期應在15 000 h 左右出現脫落堵塞管道，國內機組高峰期最早的在3100 h 左右。且溫度越高，高溫氧化就會加速，氧化高峰期來的越早。溫度越高，高溫氧化越快，容易造成氧化物運行中大面積快速脫落——堵塞爆管[6]。而電廠機組為調峰機組，負荷變化頻繁且開停機次數多，這也造成和加速了電廠屏式過熱器、末級過熱器氧化皮大量生產和脫落堆積堵塞。

4 氧化皮治理

過熱器和再熱器中奧氏體不銹鋼氧化皮問題已嚴重威脅5#、6#機組的安全穩定運行，必須采取相應的治理措施。通過加強交流、調研等形式，電廠從加強集控運行調整、加大檢查力度、采取必要的治理技術，這在一定程度上減小了鍋爐高溫氧化的影響。

4.1 加強運行調控和金屬管壁溫度監控

嚴格運行控制措施是減緩氧化皮生成與脫落的最直接措施。特別是在機組在啟停過程中，管子的溫度變化幅度最大，氧化皮也最容易脫落，因此必須嚴格按照技術規定對鍋爐啟停時的管子溫度進行控制，控制升溫率和下降速度，正常運行期間嚴防鍋爐金屬管壁超溫。

4.2 加裝金屬管壁溫度測點、優化金屬管壁溫度報警值

為加強鍋爐金屬管壁溫度監控，電廠已逐步完成末級過熱器、后屏過熱器金屬管屏溫度測點的加裝，基本實現了末過、后屏過爐管金屬壁溫全覆蓋的監控。同時，根據《華能國際電力股份有限公司鍋爐蒸汽側高溫氧化皮專題研討會會議紀要》等文件精神，對鍋爐金屬的管壁溫度報警值進行了進一步的優化。

4.3 逢停必檢

自發現鍋爐高溫氧化皮問題以來，電廠堅持“逢停必檢”原則，即根據鍋爐高溫氧化皮產生的規律，采取磁通量檢查與射線拍片相結合的方式，在臨時停爐對后屏、末級過熱器和高溫再熱器管進行氧化皮檢查，在機組集中檢修期間對全部高溫過熱器和高溫再熱器管進行氧化皮檢查，以及過熱器節流孔檢查。

至2019 年7 月，電廠兩臺爐已檢查45 臺次，共查出氧化皮堵塞超標管1001 根（其中，2017 年至2019 年兩臺爐共檢查26臺次，共查處氧化皮堵塞超標管94 根）。

4.4 過熱器酸洗

過熱器氧化皮化學清洗技術是采用專用化學清洗介質清洗容易脫落的氧化皮外層，同時保留不容易脫落的氧化皮內層，能有效降低氧化皮生長速度，從而延長再次發生氧化皮脫落的周期。通過化學清洗去除氧化皮，可以避免因氧化皮脫落而造成的超溫停機事故，防止因氧化皮脫落沖蝕汽輪機葉片造成的汽輪機效率降低，顯著延長過熱器、再熱器管的壽命，提高鍋爐效率等，從而可確保機組的安全運行，并產生顯著的經濟效益[8]。

本次電廠鍋爐過熱器化學清洗范圍包括高溫段二級過熱器、三級過熱器、四級過熱器、主蒸汽管道及相關聯箱、管道等。針對電廠三期機組5#、6#鍋爐過熱器涉及的金屬材料種類和氧化皮特點，選用復合有機酸作為清洗介質，分階段對過熱器氧化皮進行清洗，清除過熱器管（包括Super304H、T91、TP347H、HR3C 等材料在內）內壁的表層氧化皮，且腐蝕速度較低，不會引發奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕。具體清洗介質濃度需要根據試驗室小型試驗結果確定。清洗工藝步驟主要有：①臨時系統試運；②系統注水及水壓試驗；③大流量沖洗；④清洗前試驗及演練；⑤預緩蝕；⑥第一階段酸洗；⑦酸洗后水沖洗；⑧第二階段酸洗；⑨酸洗結束后水沖洗；⑩堵管檢測；酸洗效果評定；酸洗廢液處理。

最后，對酸洗后的過熱器管道進行抽樣檢查，管內壁氧化皮基本清洗干凈，管道、聯箱等部位檢查無明顯殘留物，其他各項檢測數據合格。

4.5 治理效果

2016 年以來，電廠5#、6#爐運行中未出現過過熱器及再熱器超溫及爆管不安全事件。2017 年以來，歷次檢查中氧化皮堆積量超標管數量大幅下降，特別是5#爐過熱器酸洗后未檢查出超標管（僅在高溫再熱器檢查有少量氧化皮堆積量超標管）。

5 結束語

鍋爐受熱面內壁氧化皮的生成與鍋爐燃燒的狀態、運行監控及調整、啟停控制等密切相關，而受熱面金屬管子溫度波動過大、啟停時運行控制不當則是造成電廠氧化皮脫落的主要原因。因此，鍋爐運行中應該按照電廠運行規程和制定的防治氧化皮生成及脫落技術專項方案要求，認真監盤，精心調整，通過控制減溫水使用、停機悶爐等運行控制措施嚴格控制鍋爐受熱面金屬壁溫超限，可有效減緩氧化皮的生產和脫落；檢修中必須做到預防到位、逢停必查、全面覆蓋、典型位置重點檢查、盡早處理，并實時實施一些技術成熟、先進的治理技改措施。只有相應運行與檢修措施進行充分嚴格的執行，才能有效防治氧化皮的生成與脫落，保障裝置的長周期安全運行。