超临界锅炉高温受热面氧化皮剥落的原因及防治

王力园

(大唐国际潮州发电有限责任公司，广东 潮州 515723)

1 锅炉情况简介

潮州电厂1，2号600MW机组的锅炉是由哈尔滨锅炉有限责任公司引进三井巴布科克能源公司(Mitsui Babcock Energy Limited)技术生产的超临界参数变压运行直流锅炉，为单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉，型号为HG-1900/25.4－YM4。锅炉燃烧方式为前后墙对冲燃烧，前后墙各布置3层三井巴布科克公司生产的低NOX轴向旋流燃烧器(LNASB)，每层各有5只，前墙最下层5只燃烧器配置等离子点火装置以取代点火油枪。锅炉设计煤种为神府东胜烟煤，校核煤种为山西晋北烟煤。水冷壁和包墙过热器材质为15CrMoG，屏式过热器材质为SA213-T91和SA213-TP347H，末级过热器材质为SA213-T91和SA213-TP347H，高温再热器材质为12Cr1MoVG(入口段)、SA213-T91(中间段)和SA213-TP347H(出口段)。

2008-03-08，2号炉在启动后，带正常负荷运行只1天，即因为过热器氧化皮剥落堵塞过热器蒸汽管道(发生在屏过及末过处)，导致锅炉爆管。

在2号机组解列、锅炉通风冷却后，检修人员进入炉内检查，发现第9屏(从炉左数)14管(从外围向内围数)、11屏1管、22屏4管入口管段爆管，爆口位置全部位于T91与TP347H异种钢焊口上方约10mm处的T91管道。爆口均呈喇叭口形状，胀粗十分明显，爆口边缘锋利，破口附近氧化层很薄，判断为短期过热超温爆管，怀疑管道内部有异物堵塞。将变色较严重的一根管道下弯割下，倒出大量氧化皮粉末，重量约为300 g(见图1)。经广东及西安电科院金属专家现场检查，判断为末过TP347H 管段内部氧化皮剥落造成管道堵塞，管道局部短时间过热发生爆管。

图1 管内清出的氧化皮

2 氧化皮生成的机理

研究发现：水蒸汽可以在高温下分解成氢气和氧气，金属在高温水蒸汽中发生氧化，尤其是当水蒸汽在570 ℃以上时对钢材有较强的氧化性，在600～620 ℃时，氧化速度加快，不锈钢氧化层会迅速增厚。主要反应化学方程式为：

西安热工院对锅炉铁素体钢(T23/T91)管样的金相分析结果为：蒸汽侧氧化皮微观结构形貌为双层结构，外层为Fe3O4和少量Fe2O3，内层为(FeCr)3O4。

3 影响氧化皮生成的主要因素

锅炉运行中金属管材氧化皮生成的速度与管壁温度和管材材质存在着以下关系：

(1) 同一种钢材在不同温度下，管壁温度越高，氧化速度越快；

(2) 不同种钢材在相同温度下，钢材抗氧化性能越好，氧化速度越慢。

4 影响氧化皮剥落的因素

氧化层剥离有2个主要条件：

(1) 多层氧化层达到一定厚度：不锈钢0.1mm，铬钼钢0.2～0.5mm (运行2万～5万h可以达到)；

(2) 金属材料与氧化膜或氧化膜层间应力达到临界值。温度变化频繁、幅度大、变化率高是造成层间应力大的主要原因。

此外，金属材料本身的特性也是氧化层剥离的影响因素之一。实际上，氧化皮就是一种金属化合物的混合物，其线膨胀系数α1一般在9.1×10-6K-1左右。和氧化皮相比较，线膨胀系数相差越大的金属材料，其氧化皮就越易剥落。表1为几种材料在不同温度下的线膨胀系数，从表中数据可以看出，铁素体T91钢和奥氏体不锈钢TP347管内壁均易出现氧化皮剥落堵管，从而引起超温爆管。

表1 几种材料在不同温度下的线膨胀系数α1

5 氧化皮的主要危害

(1) 氧化皮剥落造成受热面超温。剥落后的氧化皮一般集中在高温段受热面U型管底部弯头或出口管段中，或在联箱的节流孔部位，容易导致局部过热，超温爆管。

(2) 氧化皮的产生容易使主汽门卡涩，造成机组停机时主汽门无法关闭，威胁机组安全停运；并容易堵塞细小管道、疏水阀门、逆止门等，使系统产生潜在隐患。

(3) 流动蒸汽带出的氧化皮对汽轮机部件产生固体颗粒侵蚀，造成汽轮机喷嘴和叶片侵蚀损坏并污染水汽品质。正常条件下，在过热器中T91铁素体上生长的氧化皮是汽轮机发生固体颗粒侵蚀的最主要因素。

6 氧化皮剥落的特点

氧化皮剥落后，通常机组启动运行较短时间就会出现管壁局部过热或爆管，但也有运行较长时间爆管的。氧化皮剥落一般多发生在炉膛出口到水平烟道高温段过热器和高温段再热器部分。

7 事故原因分析

此次发生的TP347H管道内部氧化皮剥落造成爆管的原因，可能有以下几方面。

(1) TP347H管为奥氏体不锈钢管，是粗精钢，其线膨胀系数α1为(1.7～1.9)×10-5K-1，而氧化物的线膨胀系数α1为9.1×10-6K-1。该材质产生的氧化皮和基材膨胀系数差别较大，在管材温度受扰动时氧化皮很容易从金属本体剥离。启动过程中升温升压速度较快，整个过程中平均温升率为1.65 ℃/min；期间，由于其他原因造成汽机高压旁路关闭，导致过热汽温有一个较快的温升率(短时间超过3 ℃/min)，这可能是造成氧化皮大量剥落的主要原因。

(2) 机组正常运行时，因管道高温受热面有一定超温过热现象，加速了管壁高温氧化，已形成一定量的氧化物附着在金属内壁上。

(3) 滑停中温降速度控制不当，造成不锈钢收缩快，氧化物收缩慢，氧化物受热应力作用而龟裂、剥落，且因蒸汽流量低，携带能力降低，最终氧化物沉积至管道下部。

(4) 由于煤质、热负荷的变化，在低负荷(60 %额定负荷及以下)下由于部分过热器管子蒸汽流量偏低，流速偏差大，可能造成局部过热而引起爆管。

(5) 启动中冷、热态冲洗不够，未将已剥落的氧化皮冲洗干净。

根据2号机组锅炉爆管的时间分析，管道内部氧化皮大量剥落的时间可能发生在启动过程中。

8 治理的思路及防范措施

治理思路重点考虑以下4步：减缓生成→控制剥落→加强检查→及时清理。具体措施有以下方面。

(1) 启动中加强冷、热态冲洗，严格控制冷态冲洗和热态冲洗水质指标。要充分利用旁路系统进行蒸汽系统的清洗，目的是保证氧化皮等杂质被冲洗干净，主要注意控制水质中铁和二氧化硅的含量。

(2) 严格控制锅炉升温、升压速度，到汽机冲转、机组并网转干态运行前，温升率不超过1.5℃/min。尽量避免使用减温水，尤其是二级减温水的使用。对于使用燃油或微油点火技术的机组，控制温升率一般问题不大，但使用等离子点火技术的机组在点火初期应加强调整。

(3) 并网转干态后，控制主、再热汽温在530 ℃左右运行不低于5 h，并尽量争取高于500MW负荷连续运行(大流量冲洗)。

(4) 根据锅炉给水水质情况投入加氧工况，目的就是通过改变给水处理方式，在碳钢表面形成双层氧化膜。关键是严格控制给水阳离子的电导率一般要低于0.1μs/cm ，当给水阳离子电导率大于0.3μs/cm时，应停止加氧处理。

(5) 机组正常运行中，严格控制受热面蒸汽和金属温度，严禁锅炉超温运行；对地区负荷峰谷差较大、负荷落差较大的调峰机组，启、停磨要控制好。此外，要加强对超温考核的力度。

(6) 事故跳机情况下，在故障比较明确，不影响机组冲转、并网的前提下，要尽快冲转、并网接带负荷，避免锅炉受热面金属壁温出现大幅度降低。

(7) 停炉超过3天时，在锅炉带压放水前、正常吹扫后应密封炉膛；或因设备原因、检修原因，可以通过自然通风冷却，但应避免停炉后18 h内强制通风冷却。

(8) 加强检查，及时清理。通过拍片、测厚、内窥镜等技术手段检查管壁氧化皮剥落和堆积情况，及时割管清理。本着逢停必查的原则，停炉时间超过3天时，都要对屏过、末过管屏进行检查，发现管道有变颜色等异常时及时进行检查、处理。

(9) 增大停运频率，加强设备的正常维护，延长检修周期。

9 结束语

氧化皮的生成速度取决于金属管壁温度，氧化皮的剥落主要取决于氧化皮与金属基体的温差及温度变化速率。控制金属管壁温度是减缓氧化皮生成的关键。温度变化产生的热应力是导致氧化皮剥落的主要原因，是控制剥落的重点。加强检测、及时发现、及时清理以保证机组在健康状态下运行。作为运行人员来说，如何选择金属材料是决定不了的，但是可以通过运行调整等措施，达到减少氧化皮的生成，减缓氧化皮的剥落速度，可以做到减少机组因氧化皮的原因造成高温受热面爆管，避免出现机组非停事故。自2008年爆管事故后，运行人员严格执行厂里规定的防治氧化皮措施，2台600MW锅炉未再发生过因氧化皮的原因造成的爆管停机事故。