某电厂超超临界锅炉氧化皮生成机理分析及应对策略研究

高志华 董占双

摘要：

现在，随着电站锅炉向着超超临界的高参数，高效率发展，蒸汽氧化和固体颗粒侵蚀（SPE）问题变得越来越突出。锅炉管道中氧化皮脱落沉积甚至堵塞，会造成受热面超温甚至爆管，汽轮机叶片严重侵蚀断裂，对氧化皮高温系统阀门会造成卡塞，危及安全等问题。本文介绍了广东某电厂超超临界锅炉概况，分析了超超临界机组锅炉氧化皮的形成和剥落机理，并在此基础上探讨应对预防策略。

关键词：超超临界锅炉，氧化皮，剥落，壁厚

1、设备简况

广东某电厂锅炉为超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，锅炉采用一次再热、单炉膛单切圆燃烧、露天布置、全钢构架、全悬吊结构塔式布置。由上海锅炉厂有限公司引进Alstom-Power公司Boiler Gmbh的技术生产。

炉膛由膜式水冷壁组成，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。炉膛下部采用螺旋水冷壁，上方为垂直水冷壁，螺旋水冷壁与垂直水冷壁采用中间联箱连接过渡。炉膛上部依次分别布置有一级过热器、三级过热器、二级再热器、二级过热器、一级再热器、省煤器。

项 目 单位 MCR工况 THA工况

过热蒸汽流量 T/h 3091 2712

过热蒸汽出口压力 MPa 27.46 27.16

过热蒸汽出口温度 ℃ 605 605

再热蒸汽流量 T/h 2581 2282

再热蒸汽进口压 MPa 6.03 5.33

再热蒸汽出口压力 MPa 5.83 5.15

再热蒸汽进口温度 ℃ 375 352

再热蒸汽出口温度 ℃ 603 603

省煤器进口温度 ℃ 298 289

省煤器进口压力 MPa 31.46 30.26

省煤器出口水温 ℃ 334 326

表1 广东某电厂锅炉主参数一览

2 氧化皮的生成与剥落

2.1 氧化皮生成的机理

铁素体和奥氏体管材在锅炉高温段炉管广泛使用，这些管材在高温下运行与蒸汽作用会在炉管内壁生成一层氧化皮，阻碍了铁和水或蒸汽间的进一步反应，可以防止管内介质中的某些成分对金属的腐蚀。但是，在一定条件下，这些氧化皮会与母材脱离，钢表面氧化皮的生成是金属在高温水汽中发生氧化的结果。在570℃以下，生成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4组成，Fe2O3和Fe3O4都比较致密（尤其是Fe3O4），因而可以保护钢材以免其进一步氧化。当超过570℃时，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4、FeO層组成，见图1。其中主要是由FeO组成，虽然FeO在最内层，但因FeO致密性差，破坏了整个氧化膜的稳定性。

图1 高于570℃管内壁多层氧化膜结构

研究表明，当温度超过450℃时，由于热应力等因素的作用，生成的Fe3O4也不能形成致密的保护膜，使水蒸汽和铁不断发生反应。当汽水温度达到570℃以上，反应生成物为FeO，且其反应速度更快，此时金属的抗氧化能力则大大降低。

1.2 影响氧化皮生成的因素

氧化皮生成与温度、时间、氧含量、蒸汽压力和流速、钢材成分、氧化皮成分等有关。通常认为：运行时间和氧化皮的厚度基本呈线性关系；介质中氧的分压愈高，流速愈快，氧化皮生成速度愈快；温度对氧化皮厚度的影响呈加速上升（符合抛物线规律）的趋势，当金属材料在接近和达到其许用温度区域时，影响极为显著。

研究结果显示，金属表面的氧化膜并非由水汽中的溶解氧和铁反应生成，而是由水汽本身的氧分子氧化表面的铁所形成的。在570℃以上，水分子会分解为氢氧原子结构，大量的氧原子充分满足了氧化反应的需要。而570℃也正是形成不致密的FeO的关键温度值，所以570℃应该成为制定运行参数的重要参考。

1.3 氧化皮剥落的机理

在温度变化时，氧化皮本身以及母材间的膨胀系数不同，氧化皮和管壁间的应力和能量也随之增加。当氧化皮应变所积蓄的能量大于该氧化皮脱层而产生新的内表面所需的能量时，就会发生剥落。因而温度变化越剧烈，越容易以开裂和隆起（翘起）等形态剥落，如下图所示。

图2 铁素体钢氧化皮开裂、隆起（翘起）形态

研究还表明，铁素体钢管子内壁氧化皮达到0.15～0.20mm就有剥落倾向，越厚越危险，越厚其剥落量也会相对增大，剥落主要以纵向开裂、隆起（翘起）和片状剥落为主，生长到0.30mm以上厚度时风险较大。

3 预防氧化皮形成的措施

根据以上分析和现场实际，总结可知，要控制氧化皮的生成及剥落，需要从设备制造安装、调试、运行调整、质量监督等多个环节进行预防和控制，受篇幅所限，本文重点讨论运行调整方面的措施。

3.1 减缓生成

3.1.1 加强锅炉给水、炉水、主再热蒸汽的品质监督：在锅炉启动前进行冷态冲洗，给水化验不合格前禁止点火；在机组升温升压阶段进行工作热态冲洗，热态清洗水质合格后才可以继续按照升温升压曲线增加燃料；机组正常运行时，严禁精处理装置退出运行，确保给水、蒸汽品质合格，在给水、蒸汽品质严重恶化，经努力调整仍无法恢复时停止锅炉运行。

3.1.2 防止锅炉受热面金属管壁超温运行

3.1.2.1 锅炉冷态启动的点火初期，过、再热器处于干烧状态。此时应根据受热面的金属许用温度来限制炉膛出口烟气温度低于540℃。要控制管壁的温升速度，保持低燃烧增加速率。

3.1.2.2 机组在未投入协调的工况时，控制燃料量变化速度不大于1.8t/min（每次增加或减少不超过4 t/H）。

3.1.2.3 控制同级受热面出口蒸汽温度偏差小于40℃，否则应通过调整锅炉配风燃烧器摆角等使之正常。

3.1.2.4 加强对高温受热面金属温度的监视，在亚临界工况和75%负荷下应重点关注。

3.1.2.5 锅炉在湿态与干态转换区域运行时，调整燃料量应平缓并尽量缩短其运行时间，注意保持给水流量的稳定，防止锅炉受热面金属温度的波动。

3.1.2.6 进行制粉系统启动、锅炉干湿态切换等操作时极易引起汽温波动，要做好预控，做到平稳操作。

3.2 控制剥落

3.2.1 机组在启动过程中严格按照厂家指导曲线控制温度、压力变化速率。

3.2.2 严格按照规程规定控制升降负荷速率，控制管壁温度升降速率，加强汽温控制杜绝主汽温度大幅波动或超温运行。

3.2.3 减温水使用操作要平稳，温度控制要超前，避免突开突关减温水门使管壁急速降温和升温导致氧化皮集中脱落。

3.2.4 合理调配机组负荷，加强对锅炉主、再热汽温及锅炉各受热面壁温的控制及调整，尽量减少主、再热汽温及锅炉各受热面壁温的大幅度波动。

3.2.5 锅炉熄火后，检查所有减温水隔绝门关闭，避免减温水进入过热器系统导致氧化皮脱落。锅炉停炉后完成吹扫要及时停运送、 引风机，进行闷炉，锅炉自然降压。锅炉应保持18h以上的闷炉时间，不宜进行强冷。

3.3 加强检查

3.3.1 机组停运后的启动，若汽机高压缸壁温小于100度，應进行锅炉水压试验，在试验过程中，检修人员应对受热面进行摸管检查，防止氧化皮堵塞。

3.3.2 定期对蒸汽含氢量进行测定并记录，以评价受热面蒸汽氧化腐蚀程度，及早发现腐蚀趋势，避免出现严重后果。

3.3.3启动期间在汽轮机冲转前，保持三台磨煤机运行，煤量180t/h以上大流量冲洗15～30min，再逐渐降低主、再汽温度，进行冲转。在大流量冲洗前，应尽量提高给水温度。

4 结束语

超超临界大容量机组的蒸汽参数高，更易引起蒸汽氧化和固体颗粒侵蚀问题，对机组安全影响更大。因此通过研究锅炉管道氧化皮生成及剥落机理，结合机组设计、运行的实际情况，分析并制定严格有效的预防措施，对于减轻锅炉受热面的氧化皮问题具有十分积极的意义。

参考文献：

[1] 郑世津.锅炉蒸汽侧氧化皮剥落的治理[J].华东电力，2003， （12）：66-68.

[2] 沈敏光.探讨防止和减缓氧化皮生成和剥落的方法[J].电力建设，2003，（9）：18-19.

[3] 学敏，张文忠.锅炉受热面高温腐蚀的机理及防范措施[J].电力科学与工程，2007，（2）：72-76.

[4] 于滨，苗淑红 超临界锅炉氧化皮预防处理研究[J].电力建设，2009，（2）：101.

作者简介：

1 高志华（1981—），男，河北人，助理工程师，本科学历，主要从事火力发电厂集控运行工作。

2 董占双（1974-），男，工程师职称，华电能源股份有限公司富拉尔基热电厂副总兼工程部主任，从事火力发电厂基建及生产工作。