火電廠鍋爐氧化皮問題原因分析及預(yù)防措施

酒鋼（集團(tuán)）公司宏晟電熱公司 王 洪

超臨界機(jī)組因其顯著提升了煤炭燃燒設(shè)備的效能，減低了能源消耗，并且有效地削減了有害物質(zhì)的釋放而備受青睞，當(dāng)前超臨界機(jī)組它已被視為中國主要的電力來源之一，且成功實(shí)現(xiàn)國內(nèi)自產(chǎn)。國內(nèi)已有多個600MW 級別的超臨界機(jī)組及1000MW 級別的超超臨界機(jī)組投入運(yùn)行或正在建設(shè)中。為應(yīng)對火力電站設(shè)備規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大及蒸汽條件的持續(xù)提升，一些新的高溫耐熱金屬已被采用，以滿足其強(qiáng)度的需求并抵抗高參數(shù)帶來的氧化反應(yīng)。

然而，在高溫高壓環(huán)境下，當(dāng)鍋爐運(yùn)行時間增長后，其高溫受熱面管道的氧化現(xiàn)象會加劇，從而產(chǎn)生大量氧化層。一旦氧化層達(dá)到一定的厚度，可能會因為溫度變動或物質(zhì)的變化而脫落，并在爐管彎曲部分聚集形成局部過熱，最終引致金屬疲勞失效造成過熱爆管。此外，混入鍋爐主蒸汽內(nèi)的氧化物也可能影響下游汽輪機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至損傷汽輪機(jī)葉片，這對于電力生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的安全風(fēng)險。

全國范圍內(nèi)的超臨界火力發(fā)電機(jī)組經(jīng)常遭受由氧化層掉落引起的爐管泄漏事件的影響，這對工廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)營產(chǎn)生了阻礙。因此，生成于耐熱鋼爐管上的氧化層脫落問題已經(jīng)成為各發(fā)電廠的主要生產(chǎn)瓶頸之一。在眾多研究中，針對此一方向的研究大多集中在實(shí)驗室內(nèi)，且很少將其與實(shí)務(wù)操作相結(jié)合，這就使工程問題無法得到有效解決。基于這個原因，本文通過調(diào)研若干火力發(fā)電廠在實(shí)際運(yùn)作過程中發(fā)生的氧化層掉落狀況，希望能夠提供一些關(guān)于工程問題的理解和科研方向的指引。

1 典型火電廠氧化皮脫落爆管事故統(tǒng)計

對十余個標(biāo)準(zhǔn)火電廠進(jìn)行調(diào)研，并統(tǒng)計了鍋爐因氧化皮脫落引發(fā)的爐管過熱爆管事故，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 各電廠氧化皮脫落及爆管事故的統(tǒng)計

2 脫落氧化皮的宏觀特征

在調(diào)查過程中，仔細(xì)檢查了各個發(fā)電站超過溫度管道的內(nèi)部表面，發(fā)現(xiàn)在不同的鋼鐵類型下，氧化層脫落的特點(diǎn)存在顯著差別。例如，對于T23和T91這類鐵素體材料來說，氧化層通常較為厚實(shí)，可以達(dá)到1mm 左右，并且以大范圍且明顯的凸起破碎及大規(guī)模的塊狀掉落作為特點(diǎn)。然而，像TP347H 和Super304H 這樣的奧氏體不銹鋼，氧化層相對更薄，只有30～50μm，而且是以小型片狀形式脫落為主，如圖1和圖2所示。這種脫落后產(chǎn)生的氧化物很容易在U 型管道底部的拐角處、出入口管道的中部，以及連接設(shè)備的調(diào)節(jié)口位置聚集，如圖3所示，進(jìn)而引發(fā)局部高溫并最終導(dǎo)致超溫爆炸事故的發(fā)生[1]。

圖1 超溫管子內(nèi)壁內(nèi)窺鏡檢查情況

圖2 脫落氧化皮的宏觀形貌

圖3 脫落氧化皮在管內(nèi)的堆積特征

3 金屬氧化皮形成原理

20世紀(jì)三十年代，德國科學(xué)家Schikorr 發(fā)現(xiàn)金屬能在高溫水蒸氣中進(jìn)行氧化反應(yīng)[2]。這種氧化反應(yīng)的氧源自水分子內(nèi)部的結(jié)合氧，隨后的研究揭示了生成氧化反應(yīng)所需的化學(xué)方程式：

3.1 氧化皮形成方面

研究表明，對于鍋爐金屬氧化皮而言，如果實(shí)際工作條件超過了正常范圍，那么由于金屬自身的特性會導(dǎo)致氧化皮脫離的現(xiàn)象發(fā)生。對此問題可以從兩個角度來深挖：一是高溫環(huán)境如何影響到金屬氧化皮；二是各種材質(zhì)對其產(chǎn)生的差異化作用。事實(shí)上，各類材質(zhì)的耐氧化程度有顯著差別，這說明選取合適的材料至關(guān)重要。所以，在挑選材料的過程中需要特別注意的是，一旦形成了氧化皮后其防脫落能力尤其是針對鋼材來說，應(yīng)盡可能選用含鉻量高的品種，這樣才能保證其抗氧化的效果。一般來說，在選擇鋼材的時候往往傾向于使用T91和TP347H 這兩個牌號的鋼材，因為其抗氧化溫度比較高，能有效減緩氧化皮增厚的風(fēng)險。

3.2 氧化皮剝落方面

深度研究表明，許多變量的影響可能顯著地導(dǎo)致金屬氧化皮的掉落。此過程涉及的不只是物理性質(zhì)參數(shù)，還包括氧化皮的厚度及溫度的持續(xù)變動。例如，隨著氧化皮厚度的增長至特定閾值，其中包含的不銹鋼或鉻鉬鋼厚度也將隨之增大，達(dá)到約0.1mm 和0.5mm。若相應(yīng)溫度發(fā)生劇烈波動，則金屬氧化皮脫離的風(fēng)險亦大幅提升。此外，氧化皮厚度的增強(qiáng)同時伴隨著彈性的減弱，加上溫度的動態(tài)變化，設(shè)備啟停或變參數(shù)狀態(tài)下的溫濕壓差也有所異動，這進(jìn)一步加大了氧化皮脫離的可能。針對該問題，國內(nèi)已進(jìn)行了大量相關(guān)研究，如以600MW超臨界鍋爐為實(shí)例，通過使用恒速取樣器，分別于運(yùn)行全負(fù)荷條件下測定了主蒸汽管道通、斷及空載等各種環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)，共收集整理了上百余個樣本。總體來看，在執(zhí)行啟停動作期間，單位顆粒濃度的存在率較常規(guī)狀況提高了近一倍，因此可以推斷，在機(jī)組啟動、停機(jī)或升降負(fù)荷變參數(shù)運(yùn)行階段，金屬氧化皮的分離情形可能會更為嚴(yán)峻[3]。

4 金屬氧化皮剝落規(guī)律分析及防范措施

金屬氧化皮脫落的原因眾多，不僅受到物理性質(zhì)參數(shù)的影響，還受到金屬氧化皮厚度和溫度變動的大小影響。其物理性質(zhì)參數(shù)規(guī)律可以通過以下公式來描述：

其中，ΔT是受壓應(yīng)力作用的氧化皮產(chǎn)生剝落的臨界溫度降幅，ξ為氧化皮厚度，Eox為楊氏模量，Vox、γF分別為泊桑比和界面間斷裂能（取決于氧化皮與金屬材質(zhì)的機(jī)械性能），am和aox分別為金屬的線性熱膨脹系數(shù)與氧化皮的線性熱膨脹系數(shù)。

一旦金屬表面被氧化到特定的程度，例如對不銹鋼而言是0.1mm，由于溫度升高有可能引發(fā)脫落現(xiàn)象。特別是在電力設(shè)備開啟和關(guān)閉的過程中，尤其是壓力、溫度和載荷變化劇烈的時候，容易出現(xiàn)氧化物脫落的情況。由于鍋爐管道存在的氧化物問題及可能帶來的安全隱患，所以需要定期檢查其氧化物厚度。使用超聲波測厚器或者磁通量計可以準(zhǔn)確無誤地確定管壁氧化膜的深度，并且可作為企業(yè)決定是否替換或修復(fù)爐管的重要依據(jù)。基于鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)中常見的氧化皮生成原因，包括多種復(fù)雜情況，全面研究了氧化皮形成的原因，從而提出了一套針對預(yù)防金屬氧化皮及其緩解氧化皮的方法。

4.1 減輕金屬受熱面超溫

經(jīng)過前述研究可以得出結(jié)論：高溫下的金屬表面會顯著影響其氧化物的脫落。所以，對于此問題應(yīng)予以足夠的關(guān)注和重視。針對實(shí)際發(fā)生的氧化物脫落情況，需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整入爐燃料顆粒的大小、燃燒器的構(gòu)造，以及鍋爐對多種煤炭的摻燒適應(yīng)能力，以此保證鍋爐的高效運(yùn)轉(zhuǎn)；同時，還需依據(jù)鍋爐的工作狀況來合理地增設(shè)爐膛區(qū)域的清灰設(shè)備，并改善燃燒器的設(shè)計，盡量在可接受的范圍里擴(kuò)展鍋爐的輻射熱交換面積，還應(yīng)對鍋爐過熱器、再熱器的管道組件做全面考量，并在合適的位置放置隔熱材料，此外，還需要繼續(xù)優(yōu)化鍋爐的熱交換路徑，通過增加輻射熱交換受熱面，盡量防止對流區(qū)高溫受熱面金屬表面的過熱現(xiàn)象，減緩氧化膜的迅速生成[4]。

4.2 優(yōu)化鍋爐啟停過程中的參數(shù)控制

一般而言，當(dāng)火力發(fā)電站的鍋爐點(diǎn)火啟動或停運(yùn)冷爐時，其相關(guān)的參數(shù)往往會出現(xiàn)波動性轉(zhuǎn)變。因此，有必要對其進(jìn)行更深層次的調(diào)整和優(yōu)化，比如迅速使旁通設(shè)備進(jìn)入正常的運(yùn)作狀態(tài)，甚至可以通過帶有旁通的方式來啟動，這樣能有效防止因啟動而導(dǎo)致的固態(tài)粒子污染下游汽輪機(jī)的現(xiàn)象發(fā)生，同時也能更好地掌控啟動期間的主參數(shù)的變化情況。

4.3 母材及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了減輕和防止氧化層掉落后的情況發(fā)生，需要高度重視對于合金材質(zhì)的選擇問題。建議使用高耐溫且具有良好防腐蝕性的T22類產(chǎn)品作為蒸汽管道的熱交換表面；同時應(yīng)持續(xù)改進(jìn)基礎(chǔ)原料以確保其符合規(guī)定的操作條件并定期更新可能超過設(shè)定工作范圍的產(chǎn)品部件，從而保持適當(dāng)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境。此外，相關(guān)的人員也可以采用供水充氧的方式去處理鍋爐的金屬氧化層，在這個過程里，可以把已產(chǎn)生的四氧化三鐵表面涂上一層三氧化二鐵，比如，對于鍋爐表面的加熱部分實(shí)施鍍鉻或使用化學(xué)洗滌等方式，以此影響氧化層的溶解率，從而使其穩(wěn)定性得到顯著提高，同時也能有效減輕氧化皮的自然脫落現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文以金屬氧化皮產(chǎn)生的原因為基礎(chǔ)，著重闡述了導(dǎo)致氧化皮脫落的關(guān)鍵要素，同時根據(jù)這些原因提出了一系列預(yù)防或緩解氧化皮形成的方法。盡管在實(shí)驗室環(huán)境下做的相關(guān)的氧化皮生成試驗與實(shí)際鍋爐情況存在一定的差異，但是整體上提出的預(yù)防策略相似，其中降低氧化皮增長速度及減少熱應(yīng)力的波動程度，被認(rèn)為是有效地防止金屬氧化皮生長的手段。