工业锅炉高温受热面氧化皮堵管的成因及应策

（广东省特种设备检测院顺德分院,广东顺德 528300）

随着锅炉高温过热器和高温再热器出口温度的提升，原高温受热面采用的低合金耐热钢材料已不再能满足锅炉超高温运行工况要求。因此，高合金奥式体材料在超临界和超超临界锅炉上开始广泛应用。然而，高温下奥式体钢管内壁不可避免的被水蒸气氧化，锅炉长时间运行氧化膜生长形成一定厚度的氧化皮，因氧化皮和钢管基材存在较大的膨胀系数差，在停炉冷却过程中氧化皮受应力作用脱落、堆积堵塞受热面管，如检查清理不彻底，就会造成锅炉再次启动后超温爆管。为了防范爆管情况的发生，就必须减少和避免氧化皮脱落及堆积。

1 金属蒸汽氧化腐蚀机理

高温蒸汽管道内壁生成氧化膜是自然过程，开始氧化膜形成的很快，一旦膜形成后氧化速度减慢。但随着运行时间加长，在高温高压剧烈波动条件下，由于基材和氧化皮热膨胀系数的不同，金属表面的氧化膜会产生裂纹，裂纹的存在使得基体金属直接暴露于氧化环境中，加速了氧化进程，氧化层也向双层、多层发展。

高温金属材料SA-213TP347H 为奥氏体不锈钢，当奥氏体不锈钢长期处于高温、高压水蒸汽中时，管子内壁也会氧化。Cr 的活性较高，在氧化初期阶段，管子内表面会生成很薄的Cr2O3 氧化膜，这层膜可以阻止管子内壁的进一步氧化，但只有Cr 含量高达20%时，合金表面才会生成致密的氧化膜。随着时间的增长，氧化膜以下的基体相应发生Cr 的贫化，在温度、压力剧烈波动情况下，外层氧化皮出现细微的裂纹，Fe 向氧化膜外扩散，大大恶化了其高温下抗氧化能力，氧化速度加快，氧化层也开始向双层、多层发展。

不锈钢虽然抗氧化能力较强，但在高温时，温度、压力剧烈波动条件下，由于氧化膜的破裂，氧化速度亦是很快的。

多年研究表明，蒸汽氧化与材质的晶粒度有关，SA-213TP347H 材质要求晶粒度在7 级以上才能生成Cr2O3 型氧化膜，但目前管材 (TP304H、TP347H)的晶粒度多在4－6级，晶粒度等级低，无法生成Cr2O3 保护氧化层。

2 氧化皮的脱落

氧化皮的脱落有两个主要条件:

（1）氧化层达到一定厚度，通常不锈钢为0.1mm，铬钼钢为0.2～0.5mm；

（2）温度变化幅度大，速度快，频率高。氧化皮的脱落主要是由于氧化皮与金属基体的热膨胀系数不一样造成的。SA-213TP347H 钢材的膨胀系数在(1－20)×10－6/℃，而氧化铁的膨胀系数在9.1 ×10－6/℃。由于热膨胀系数相差一倍，在温度升高时，氧化皮受拉应力，温度快速降低时，氧化皮受压应力，所以温度剧烈或反复变化时很易产生裂纹以至于脱落。相对于珠光体钢和马氏体钢(热膨胀系数(12－14)×10－6/℃)热膨胀系数与氧化皮比较接近，脱落的几率相对少，这就是为什么TP347H 氧化皮更容易脱落的原因。

高温氧化遵循抛物线规则，由于TP347H 管的氧化皮的热膨胀系数与基体材料的热膨胀系数有较大的差异，在锅炉快速启停时，氧化皮容易脱落(几微米就可脱落)，脱落后使基材暴露在蒸汽中，而抛物线特性为初始氧化速度极快，导致反复脱落，反复氧化，氧化速度加快。脱落的氧化皮会堆积在管内，使该管蒸汽流量减少，管壁温度升高，更加快氧化进程。

3 氧化皮堆积的成因

脱落的氧化皮在U 型弯的底部停滞，由于机组启动时蒸汽流量较少，无法将其带走。脱落的氧化皮不断地积聚，到一定数量时，即使负荷较高时，也无法将其带走，慢慢地堵塞管子，造成管壁超温。停炉冷却过程中，部分蒸汽凝结成水，积于U 型管底部，淹没了脱落的氧化皮，随着U 型管底部积水的逐渐蒸发，氧化皮一层紧贴一层，积聚成核状，堵死管道的流通截面。

4 应对氧化皮产生、脱落、堆积策略

为保证锅炉安全运行，防止出现爆管情况，一是预防氧化皮的产生，二是预防氧化皮脱落，三是预防氧化皮堆积。

4.1 应对氧化皮生成的策略

（1）严格按机组运行规程规定的锅炉上水水质，控制上水速度8%BMCR 流量左右，上水温度与汽水分离器壁温差＜110℃，启动初期，利用辅汽提升除氧器给水温度，尽量保证上水温度达到120℃，加强水质监督。

（2）采用合理的水处理方式。国际比较流行的直流锅炉水处理有全挥发性处理(AVT)、复合氧处理(CWT)、给水加氧处理(OT)三种。随着超(超)临界技术的发展，出于安全性和经济性等方面考虑，国际上先进的直流锅炉均明确要求机组正常运行过程中，水处理必须采用CWT 方式。

复合氧处理法(CWT)的优点有:较好地利用了中性水工况和碱性水工况的优点，避免了各自的缺点；在整个水汽循环中，同时使用铁和铜材时，防腐效果处于最佳位置，腐蚀产物浓度最低；水汽循环中，各个设备上的垢层减小；有利于环保，凝结水处理设备再生周期延长。

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（3）运行中避免蒸汽和金属温度超温。因氧化皮的生成与温度有密切的关系，所以锅炉运行中要严格控制过热器、再热器受热面的蒸汽和金属温度。主蒸汽温度和再热汽温度应控制在设计温度±5℃范围内。锅炉设计资料中都给出了各级受热面的金属温度报警值，运行中要严格按照该温度控制，严禁超温运行。

加强对受热面的热偏差监视和调整，防止受热面局部长期超温。锅炉运行中两侧汽温偏差应控制在5～10℃范围内，温度偏差过大，可造成局部超温，产生氧化皮。

4.2 应对氧化皮脱落的策略

（1）运行过程中应当避免大的负荷波动。受热管壁内附着氧化皮的热膨胀率远小于金属管的热膨胀率，运行中如果负荷有较大的波动，会使受热管道的温度产生剧烈变化，由于膨胀量不一样，氧化皮从壁面脱落下来。当脱落的氧化皮过多时，容易堵塞管道，导致爆管。所以在运行过程中应当尽量避免大的负荷波动。

（2）主、再热蒸汽温度在570℃～600℃区间内时，应控制汽温平稳变化，防止温度突变。在这一区间内温度突变，极易造成大量氧化皮脱落，危害运行安全，因此要注意汽温控制，尽量使其变化平稳缓慢。喷水减温器应避免喷水量大幅度变化和周期波动，喷水量变化大，会造成减温后汽温大幅变化，引起氧化皮脱落。

（3）启、停炉时，严格控制启停炉速度。启、停炉过程中，应当严格控制启停炉速度。按照停炉类型，设定降负荷速度。若升降负荷速度过快，炉内温度变化较剧烈，除了对炉本体设备会造成损坏外，还容易形成大量氧化皮脱落，堵塞管道。

机组故障紧急停机时，炉膛通风10 分钟后立即停止送、引风机，并关闭送风机出口和引风机进、出口挡板，进行焖炉6 小时以上，防止受热面温度快速降低。

控制高温过热器、再热器蒸汽温度和金属壁温降温速率不大于1.5℃/min，主、再热压力降低速率不大于0.3MPa/min。降压结束后，水冷壁可以上水冷却，通风冷却要控制低温段入口烟温降低速率不高于1.5℃/min。

4.3 应对氧化皮堆积策略

（1）锅炉启动前水冲洗。对新投运和停运时间超过150 小时的锅炉，启动前必须进行水清洗，利用旁路将氧化皮吹扫到凝汽器，以除去堆积在受热面上的杂质、盐分和铁锈，直至炉水品质达到允许锅炉点火启动的要求。在贮水箱排水Fe＞500μg/l 时，清洗水经疏水扩容器排地沟或循环水系统不回收；在贮水箱排水 Fe＜500μg/l，一般在 200～300μg/l 时才排入凝汽器循环。在给水操纵台前疏水管排水Fe＜200μg/l 时，锅炉开始上水，可以进行冷态清洗。

冷态清洗结束后，锅炉点火，进行热态冲洗，在水冷壁出口水温升高至180℃左右进行热态清洗，冷态启动在0.5～0.7MPa 压力下发生汽水膨胀，热态清洗应该在汽水膨胀结束后进行。这一过程是清洗Fe 过程，必须严格按照规程要求，尽可能在前期去除系统内的Fe。热态清洗时投入5%BMCR 的热负荷。给水流量约为20%BMCR，此时水冷壁系统流量为50%BMCR。

（2）对过热器、再热器及其管道系统进行疏水。在机组启动阶段，在高、低压旁路开启前，对过热器、再热器及其管道系统进行疏水，排出管道内堆积物。如有条件进行简易的排汽，吹扫系统。

机组冲转之前，利用100%旁路系统对受热面管道进行大流量氧化皮吹扫，快速开启和关闭旁路(3 次)，通过瞬间压力和流量的变化进行吹扫，而且为了保证吹扫质量吹扫时间不少于10 小时，吹扫期间密切关注凝汽器水质含铁情况的变化。

（3）必要时可以采取化学清洗，或再次进行吹管。

结语

本文通过对高温氧化层脱落、堆积成因及应对措施的研究，取得了较好效果，锅炉机组运行以来，其氧化皮厚度目前处于正常水平，无明显脱落，这充分说明了应对策略是可行有效的，为减少和避免氧化皮脱落堵塞爆管提供了很好的借鉴。

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