超临界锅炉高温管屏蒸汽氧化探析

高清林，陈敦炳，黄庆专，张仁金

(1.福建电力职业技术学院，福建 泉州 362000；2.福建华电可门发电有限公司，福建 福州 350512)

0 引言

随着火电机组不断向高参数、大容量方向发展，近年来全国各地相继投入了大量的600 MW超临界机组。蒸汽温度和压力的提高，使得锅炉高温管材的蒸汽氧化问题日益突出，并严重威胁着电厂和电网的安全、稳定运行。

实际上，工作在高温高压蒸汽下的金属材料都会产生氧化，亚临界、超临界和超超临界锅炉的高温管屏均潜在蒸汽氧化问题。由于亚临界锅炉的主、再热蒸汽温度较低(一般约540 ℃)，氧化皮的形成过程和发生剥落的时间较长，且亚临界锅炉各炉管的管径较大，管子不易被剥落的氧化皮堵塞，引起锅炉爆管的可能性较低。超超临界锅炉的主、再热蒸汽温度虽高达600 ℃，但因其蒸汽氧化问题受到足够的关注和重视，在管材选择和锅炉的设计、运行及管理等方面都给予充分考虑。目前已投产的超临界锅炉的汽温基本约为566 ℃，设计选用管材的温度裕度较小，氧化皮的产生和剥落速度较快，且由于超临界锅炉的压力很高，其炉管一般采用小口径管，剥落的氧化皮很容易在炉管中堆积堵塞，进而引发锅炉超温爆管。因此，超临界锅炉因氧化皮堵塞而引起炉管过热爆管的问题要比亚临界和超超临界锅炉都严重。

炉管因蒸汽氧化而爆管涉及如下3方面：

(1)氧化皮的形成；

(2)氧化皮的脱落；

(3)脱落的氧化皮堆积后引起汽流阻塞，最终导致炉管过热爆管。

1 氧化皮的生成、脱落和堆堵

运行中的炉管内壁在高温蒸汽的作用下会不断氧化并形成连续的氧化皮，这种氧化皮附着在管壁上并在运行中不断增厚。当氧化皮达到了一定厚度后，在外界扰动作用下将发生脱落，脱落后的氧化皮可能在管中形成堆积堵塞。

1.1 氧化皮的生成

相关研究表明，处于高温高压水蒸汽中的金属，其氧化并非缘于水汽中溶解的氧，而是因为水汽本身氧原子的就位氧化。

金属的氧化过程是通过离子的扩散来进行的。当含Cr合金钢炉管长时间通流高温高压的水蒸汽时，在氧化的初始阶段，活性较高的Cr3+很快扩散到管子内表面，并与水汽中的O2-反应生成Cr2O3氧化膜。这层薄而致密的氧化膜阻止了管子内壁的进一步氧化，但随着运行时间的推移，Cr2O3氧化膜以下的基体金属相应地发生了Cr的贫化，与此同时，在超温或温度、压力波动剧烈等情况的影响下，表层Cr2O3氧化膜出现细微的裂纹，基体中的Fe2+和Fe3+便向Cr2O3氧化膜外扩散，并与水汽中的O2-反应生成氧化皮。

当管壁温度在570 ℃以下时，生成的氧化皮由内层的Fe3O4和外层的Fe2O3组成，Fe3O4和Fe2O3的结晶结构较为致密，离子在其中的扩散速度很慢，氧化速度较为缓慢。当管壁温度超过570 ℃时，基体中的Fe2+和Fe3+进一步通过内层的Fe3O4向外扩散，而水汽中的O2-也通过外层的Fe2O3向内扩散，在Fe3O4和Fe2O3之间的层面上，Fe2+，Fe3+和O2-反应分别生成Fe3O4和Fe2O3；而在Fe3O4层的内侧，Fe3O4则分解生成FeO。至此，高温下的氧化皮发展成由里到外的FeO，Fe3O4，Fe2O33层组成，其厚度比约为100:10:1，即氧化皮主要是由FeO组成。由于FeO的晶格是可置换和不致密的，体积很小的金属离子很容易通过它向外扩散，大大降低了管壁金属在高温下的抗氧化性能。

随着温度的升高，各离子的扩散迁移速度加快，离子间的反应和Fe3O4分解为FeO的速度也加快，其形成的氧化皮也加厚。当氧化皮增长到一定厚度后，会在其中产生应力，促使其破裂，导致氧化皮与金属基体分裂，周围的氧则直接侵入内部与金属发生反应，形成“破裂氧化”，该氧化过程要比扩散氧化过程快得多。

1.2 氧化皮的脱落

根据数值模拟炉管内壁氧化皮的剥落机理可知，锅炉炉管内壁氧化皮的开裂和剥落与其所受的应力密切相关。

锅炉运行中，积聚在管内氧化皮上的应力主要包括以下几个方面：

(1)合金氧化生成氧化皮时因体积增加而产生的膨胀应力；

(2)在锅炉启、停及负荷或烟温波动较大时，因炉管壁沿径向存在着温度梯度以及氧化皮与基体金属之间热膨胀系数的差异而产生的热应力；

(3)因炉管内汽水2相流动产生的振动、炉管外烟气走廊形成的共振以及管壁温度频繁、快速、大幅度变化等附加载荷产生的外载应力。

在温度变化过程中，当不断累计的膨胀应力、热应力以及外载应力的总和超过氧化皮的抗拉(或抗压)强度及其与金属基体的结合强度时，就会引起氧化皮破裂并从金属基体上剥离。

数值模拟结果表明，在停炉降温过程中，氧化皮受压应力的作用很容易与基体剥离，导致厚皮脱落，薄皮起翘；而在启炉升温过程中，高脆性的氧化皮受拉应力的作用极易开裂。

1.3 氧化皮的堆堵

运行中的锅炉高温管屏，必然会有氧化皮的生成和脱落。在锅炉稳定运行时，受热面的温度较稳定，不会出现氧化皮的大量剥落，且此时炉管内的蒸汽流速较高，少量剥落的氧化皮也会随即被高速汽流击碎并带走，一般不会在炉管中堆积。但在锅炉启、停或温度、压力波动较大时，将会造成氧化皮的大量剥落，并可能在炉管中堆积堵塞。

运行经验表明，因氧化皮堆堵而导致炉管超温爆管的现象往往发生在停炉后的再次启动过程中。这是因为：一方面，锅炉经长期运行后形成了一定厚度的氧化皮，在停炉过程中炉管的快速冷却使大量氧化皮集中脱落，并在汽流的带动和氧化皮自身重力的作用下，沉积在U型弯管下弯头，而停炉后的蒸汽冷凝水也汇聚在U型弯管底部，淹没了剥落的氧化皮，当锅炉重新点火后，炉管内聚积的冷凝水逐渐蒸干，氧化皮便粘结成块状，堵塞了炉管的流通截面；另一方面，在锅炉启动过程中也会导致部分氧化皮脱落和堆积：首先，在启动初期，尺寸大、强度高的氧化皮在炉管弯头、变管径处和联箱的节流孔等部位堵塞形成桥架，由于此时炉管内的蒸汽流量和流速尚小，无法将其破碎并带走；之后，尺寸较小的氧化皮也不断积聚在桥架上，随着锅炉启动过程的进行，炉管堆积的氧化皮越来越多，此时的蒸汽流量和流速虽也有大幅提高，但已很难对其产生扰动并将其带走。

2 锅炉过热爆管

对于炉管这样的“薄壁压力容器”，在工作中管壁上受到的环向应力σ为：σ=PD/(2t)。

其中，P——管内蒸汽压力，Pa；D——管径，mm；t——管壁厚度，mm。

氧化皮的堆积减小了炉管通流截面，增加了其流动阻力，使得流速变慢甚至停滞，进而导致管壁温度升高，加剧氧化皮的脱落；同时，流速变慢也使氧化皮沉积的速度加快。如此恶性循环，使管壁温度急剧升高而过热。

在超温下运行的炉管，在温度和应力的复合作用下，其珠光体球化和管材蠕变将加剧，进而导致炉管胀粗(管径D增大)；同时，超温过热也加速了炉管表面的氧化，而炉管胀粗和氧化又都将使管壁减薄(壁厚t减小)，这些因素都将使炉管实际承受的环向应力σ增大。由此可见，超温过热运行的炉管由于宏观形貌和微观组织的变化，使得管壁实际承受的环向应力σ增大，而自身的强度却在下降，当作用在管壁上的环向应力超过管材的许用应力时，将导致炉管爆管。

3 防止氧化皮堆堵爆管的措施

由于影响氧化皮的形成、剥落和堆积的因素很多，因此防治高温炉管氧化皮堆堵爆管的问题也是一个系统工程，需从管材的选择及其热处理和锅炉设备的设计、改造、检修、生产运行及管理等方面统筹防控，综合治理。

3.1 炉管选材及其热处理

(1)管材选择。炉管抗蒸汽氧化性能的好坏主要取决于其管内表面能否形成稳定致密的金属氧化物保护膜，因为在这些致密的氧化膜中金属离子和氧离子扩散缓慢，可减缓金属氧化过程。Cr2O3是高温下热力学性能比较稳定且致密的氧化物，当管材合金中的Cr含量达到20 %时，合金表面就会形成一层稳定致密的Cr2O3保护膜，从而大大增强其抗高温蒸汽氧化的能力。因此，在选择锅炉管材时，对布置在高温烟区的管屏，应考虑采用含Cr量较高的TP347HFG，Super304H等合金钢。

(2)管材热处理。在奥氏体钢中，Cr主要沿晶界扩散到表面形成氧化物保护膜，所以晶粒尺寸和表面变形所致的缺陷成为影响蒸汽氧化行为的主要因素。

① 采用特定的热加工和热处理工艺使管材晶粒再细化，以加快Cr离子通过晶界的扩散迁移，加速形成致密的Cr2O3保护膜(如细晶奥氏体热强钢TP347HFG比粗晶钢TP347H有更好的抗蒸汽氧化性能)。

② 对炉管内壁进行喷丸处理，在其内表面形成富Cr氧化层，同样有利于致密的Cr2O3保护膜的形成。

③ 对炉管内壁镀Cr或用铬酸盐溶液在305 ℃条件下循环48 h，同样能达到减缓管内氧化皮生长和剥离的目的。

3.2 改进管屏设计

(1)适当增大管屏弯管的弯曲半径，以减少氧化皮剥落后在管内堆积堵塞的可能性。

(2)根据对同类型锅炉事故的统计分析，在经常超温爆管的部位增加壁温测点和壁温超限报警装置，扩大对炉管运行温度的监控范围。

(3)适当下调末级过热器和高温再热器壁温超限报警值，以便于运行人员提前进行干预和调整，降低超温的风险。

(4)在高温管屏进口段加装并调整好节流圈，均衡各炉管间的流量分配，减小管屏间和同屏各管间的热偏差，避免炉管长期超温运行。

3.3 加强炉管检查

坚持“逢停必查”的原则，检测炉管内氧化皮的堆堵情况，必要时可进行割管清理。同时，对炉管进行寿命评估，及时更换失效的炉管，确保锅炉安全运行。

3.4 锅炉带旁路启动

使锅炉带旁路启动，利用旁路尽早建立较大的启动蒸汽流量，一方面可以减缓启动过程中炉管的温度变化，减少炉管内氧化皮的大量剥落；另一方面可以对过热器和再热器进行充分吹扫，将锅炉启停过程中剥落的氧化皮冲走。

3.5 运行中吹扫氧化皮

(1)机组首次启动前，应对锅炉进行严格的酸洗和吹管，将制造、运输、保管、安装等环节中在炉管内产生的氧化皮及遗留的各种杂物冲洗掉。

(2)在机组启动负荷升到500 MW以上后，以约20 MW/min的变负荷率多次快速升降负荷，使蒸汽不稳定流动，以利于冲散氧化皮。

(3)停炉过程中可采用热炉放水，并利用汽轮机真空系统排尽受热面内的水蒸汽，利用余热烘干受热面，使其内侧生成的氧化皮保持干燥、松动状态，以利于下次启动时被蒸汽冲走。

(4)在大修前的停炉过程中适当增大汽温波动的幅度和速度，以加速氧化皮的脱落，并利用高蒸汽流量的携带能力带走脱落下来的氧化皮，以便在检修时彻底清理。随时应对炉膛热工况扰动，防止受热面壁温大幅波动和超温。

（5） 汽温调节尽量采用调整燃烧器摆角和再热器烟气挡板，少用减温水(尤其是在机组负荷小于60 MW运行时)，但在减温水停用期间，应根据负荷和环境温度微开减温水排污门，使减温水处于热备用状态。需要喷水减温时，应优先使用一级减温水而慎用二级减温水，并通过改进自动控制系统实现减温水提前操作，严禁减温水大增大收的脉冲式变化。

（6） 机组正常停机宜采用滑停方式，滑停过程中应控制蒸汽的温降速率在2 ℃/min以内，并注意及时调整各级减温水量。

3.6 严防锅炉超温运行

(1)通过合理分配各层燃烧器的燃料、改变燃烧器的摆角、调整二次风门的开度、修正中间点温度等措施，按照温度高点严格控制主、再热汽温及其受热面金属温度在合格范围内。

(2)严格按照规程要求，把锅炉各受热面的热偏差都控制在允许范围内，防止受热面局部长期超温运行。

3.7 严格控制温度变化速率

（1） 采用等离子点火技术的锅炉，启动时不宜过早投粉。在点火初期应先投油助燃，待蒸汽流量达到100 t/h后再启磨投粉，以确保温升均匀。启动过程中控制温升速率在2 ℃/min以内。

（2） 机组热态启动过程中，锅炉的烟风系统应与其他系统同步启动，随后在炉膛通风结束后应立即点火，并尽快增加燃料量进行升温升压，控制受热面温升速率在5～6 ℃/min，防止烟风系统启动后的长时间强制冷却或者升温升压速度过慢导致受热面金属温度出现大幅回落。

（3） 锅炉启动和正常运行中升降负荷应平缓，增减燃料和给水量及投退减温水应均匀、缓慢，投粉时应确保过热器内已建立起冷却流量和各级减温水已具备投入条件。如果升降负荷的扰动造成汽温和受热面壁温的波动速率超过5 ℃/min，应适当降低机组的升降负荷速率或暂停升降负荷，待温度调整稳定后再继续进行变负荷操作。

（4） 锅炉正常运行时，一、二级减温水、燃烧器摆角和再热器烟气挡板应处于可调整的中间位置，再热器事故减温水应处于良好的备用状态，以

4 注意事项

(1)在燃烧配风调整中，若SOFA风(分离燃烬风)的水平反切角度未调整合适，或因考虑了煤粉燃烬问题而把最上面的几层SOFA风门关小甚至全关，将会削弱SOFA风的消旋作用。

(2)锅炉吹灰蒸汽温度不能太低，以免锅炉受热面因受到剧烈冷却而造成氧化皮提前脱落。

(3)有研究结果表明：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 ℃正是形成不致密的FeO的关键温度值，所以570 ℃应该成为制定锅炉运行参数的重要参考值。

(4)当前不少电厂存在一些不当操作：一是在锅炉爆管后仍“带病”运行，导致爆管爆口泄压，致使其他炉管内的蒸汽流量减小，在炉内热负荷未下降时，将引起其他管壁超温，加剧了氧化皮的形成；二是在发现爆管后，紧急停炉，锅炉汽侧温度和压力骤降，有时在炉膛未充分冷却时就强制通风，使炉管内氧化皮大量脱落，造成堆积，在锅炉重启运行约1个星期后，又因氧化皮堵塞再次发生过热爆管，出现所谓的“星期锅炉”。

(5)建议锅炉MFT(主燃料跳闸)后控制吹扫风量在30 %以内，并严格控制吹扫时间。吹扫完成后，任何情况下都应及时停运送、引风机，并检查关闭所有检查孔、看火孔等进行焖炉。若无特殊情况，应尽量避免通风冷却，确因锅炉抢修需要时，则应综合考虑炉膛温度和环境温度，在炉膛温度降至180 ℃以下方可进行通风，如冬季环境温度较低，则应等炉膛温度降低至150 ℃才能通风。在机组强制冷却抢修后，应进行受热面氧化皮检查清理。

(6)机组采用滑参数停机时，应特别注意低负荷时的汽温控制，在停机的最后阶段应注意控制煤仓的煤位，在煤仓突然烧空时应及时调整其余磨的出力，并维持一次风压的稳定，确保参数的稳定。

(7)蒸汽温度的控制要服从管壁温度，若管壁超温应视情况降低蒸汽温度运行。

5 结束语

近20年来，国内投产的600 MW超临界机组“非停”约60 %是因锅炉“四管”爆漏所造成的，而炉管的爆漏大多发生在末级过热器和高温再热器等高温管屏，管内氧化皮脱落堆堵则是导致高温管屏过热爆管的主要原因。

研究结果表明，超临界直流锅炉高温管屏蒸汽氧化是不可避免的，重要的是如何有效地减缓氧化皮的生成，并避免氧化皮的集中剥离。氧化皮的生成速度主要取决于金属管壁温度，锅炉超温运行将会加速炉管的蒸汽氧化；而氧化皮的剥落主要取决于氧化皮与金属基体的温差，炉管壁温的急剧变化将会加剧氧化皮与基体金属间的温差，从而导致管内氧化皮的大面积脱落。因此，控制炉管壁温是治理锅炉高温管屏蒸汽氧化的关键。

1 窦莹婷，李 君，张 峥．过热器炉管爆管原因分析[J].材料工程，2012(4)．

2 陈敏生，廖晓春，楼 杰．600 MW超临界锅炉管壁超温的控制[J]．电力安全技术，2012(5)．

3 李 英，高 增，侯君明．超临界锅炉过热器氧化皮形成和剥落机理分析及预防措施[J]．热力发电，2007(11)．