奥氏体不锈钢管氧化皮受控剥落的成功经验总结

周 勇，王中正，田 泽

（1.山西昱光发电有限责任公司，山西 朔州 036900；2.华电朔州热电有限责任公司，山西 朔州 030001；3.漳泽电力同华发电有限责任公司，山西 忻州 034114）

奥氏体不锈钢管氧化皮受控剥落的成功经验总结

周 勇1，王中正2，田 泽3

（1.山西昱光发电有限责任公司，山西 朔州 036900；2.华电朔州热电有限责任公司，山西 朔州 030001；3.漳泽电力同华发电有限责任公司，山西 忻州 034114）

提出了奥氏体不锈钢管氧化皮剥落是一个世界公认的难题，根据山西某电厂超临界参数锅炉末级过热器因氧化皮剥落造成的爆管事故，分析了氧化皮生成和剥落的机理，总结了使氧化皮受控剥落的有效技术措施，对同类型机组具有借鉴意义。

超临界；高温受热面；氧化皮

0 引言

山西某电厂1号锅炉于2012年1月发生了末级过热器爆管，从投产到爆管机组运行时间约7 000 h。爆口呈喇叭状，管壁严重减薄边缘锋利，其坡口断裂面较为光滑，呈撕裂状，从其特征分析为短时间过热所致，该根管子下弯头割开后取出不少于80 g的氧化皮。分析爆管的主要原因是该管段氧化皮脱落并积存，使管内流动阻力升高，流量降低，管壁冷却效果下降，最终导致超温爆管。

本台锅炉高温过热器管产生氧化皮的主要原因分析有以下几点：末级过热器管壁曾出现过短暂的超温现象；机组协调控制品质不好，在机组升降负荷时主蒸汽温度波动幅度大；爆管之前机组曾多次启停，特别是在停机过程中采取了快速冷却的方法[1]。

1 设备状况

该锅炉为2 090 t/h超临界参数变压直流炉，采用前后墙对冲燃烧方式，单炉膛平衡通风，一次中间再热，固态排渣，全钢构架的型炉。锅炉型号：DG2100/25.4-Ⅱ6。

炉膛宽为22 162.4mm，深度为15 456.8mm，高度为65 000mm，炉膛由下部螺旋盘绕上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁2个不同的结构组成。辐射式屏式过热器布置在炉膛上部区域，在炉深方向布置了2排，2排屏紧挨着布置，每一排管屏沿炉宽方向布置15片屏，共30片，炉内受热面管子均采用SA-213TP347H材料。高温屏式过热器位于折焰角上部，沿炉宽方向布置有35片，炉内受热面管子的材质均为SA-213TP347H。高温屏式再热器布置于高温过热器后的水平烟道内，共96片，炉内受热面管子均为SA-213TP347H材料。

本台锅炉采用中速磨正压直吹式制粉系统，每炉配6台磨煤机，36只燃烧器分3层布置在炉膛前后墙上，其中前墙最下层燃烧器为等离子点火燃烧器。

2 奥氏体不锈钢管受热面的氧化皮剥落成因分析

a）超临界机组主蒸汽温度均在570℃左右，该温度下水蒸汽氧化性很强，高温氧化皮是奥氏体不锈钢和高温蒸汽氧化的产物[2]，其物质结构分为3层，最内层为（Fe,Cr）2O3、中间层为Fe3O4、最外层为Fe2O3。奥氏体不锈钢管与超临界蒸汽接触，初期氧化速度很快，当形成致密的富铬氧化层后，阻断了氧与金属基体的直接接触，有助于延缓氧化腐蚀，但氧化皮的生成是难以避免的，随机组运行时间增长，氧化皮厚度会逐渐增加；中间层是铁在高温纯水中形成的Fe3O4；氧与金属反应生成Fe2O3，如果有Fe2O3出现意味着有水溶氧存在。

b）奥氏体不锈钢氧化皮随运行管壁温度的升高加快，当运行超过其需用温度时，金属氧化速度将呈指数上涨，受热面超温运行是导致奥氏体不锈钢内壁氧化皮生成速度快的根本原因。

c）氧化皮和管材的热膨胀系数不同，氧化皮膨胀系数约为0.9×10-6，钢材约为1.9×10-6。当氧化皮达到一定厚度后，管壁温度发生较大变化时，氧化皮就会从金属本体剥落。所以氧化皮的剥落需要两个主要条件：一是氧化皮达到一定厚度，如不锈钢达到0.10mm，铬钼钢达到0.2～0.5mm；二是温度变化幅度大、速度快、频度大。

d）管材SA-213TP347H允许的使用温度为648℃，在保证50℃设计裕度，一般SA-213TP347H钢的使用温度为600℃。对于末级过热器，其热源为高温烟气，烟气温度要高于蒸汽温度，因此采用SA-213TP347H材质的过热器，其温度裕度并不高。机组长时间超温运行，会加速氧化皮的生成。

3 防止奥氏体不锈钢管受热面氧化皮剥落的措施

根据上述奥氏体不锈钢管氧化皮产生和剥落原因，分析本台锅炉的运行中存在的缺陷，并提出了如下相应措施，使氧化皮受控剥落，避免设备损坏。

a）加强锅炉燃烧调整，控制炉膛出口烟气温度，且烟气温度沿宽度方向分布均匀，使管材壁温不超过590℃。目前超临界机组锅炉高温受热面多数采用管材SA-213TP347H，设计压力条件下，其报警温度为648℃，但是没有考虑管材高温氧化的问题，实际该型奥氏体不锈钢加速氧化温度是590℃。

b）优化机组协调控制的品质，在机组升降负荷时主蒸汽和再热蒸汽温度变化率不大于2℃/min，抑制受热面温度周期性波动和温度变化率，减缓氧化皮剥落。

c）加强炉膛吹灰，定期清洁水冷壁和屏式过热器，增加炉膛和屏式受热面的吸热，降低末级过热器的壁温。

d）机组启动期间严格监视汽水品质，防止给水含氧量超标。加氧运行对未达到超临界参数环境的碳钢和低合金钢能起到金属表面钝化作用，但对超临界状态下使用SA-213TP347H的高温受热面来讲，提高氧浓度对防止高温蒸汽氧化不利[3]。

e）机组停机后要严禁采用强制冷却方式。锅炉受热面壁温控制要依据安装在顶包内的金属壁温检测点来进行。顶包外侧都覆有保温层，机组停机后散热量很小，管壁冷却速度很慢；炉内受热面由于受到通风冷却，管壁温度变化速率远大于顶包内管壁温度变化率，停机过程中所依据的顶包管壁温度速率虽然没有超过要求，但实际炉内管壁降温速率已经大大超出技术措施的规定值。因此，机组停机后要严格按照规定的时间进行闷炉。

f）利用停机机会对高温受热面进行检查。定期对高温受热面弯头部位拍片检查，若发现弯头处有氧化皮堆积，要及时割管清理或更换处理。

g）汽轮机冲转前利用高、低压旁路对受热面进行大流量冲扫。对于超临界机组，维持分离器压力7MPa，主蒸汽温度350℃，低压旁路阀全开，用高压旁路阀控制蒸汽流量。吹管过程中要注意高、低旁路出口蒸汽不超温，且凝汽器不超压，满足以上条件下，尽量提高吹管系数。

4 结论

该厂1号锅炉自2012年1月发生爆管事故后，采取了上述控制措施，到目前为止已经安全运行3年多，没有再发生过爆管事故，取得了较好的效果。虽然奥氏体不锈钢管壁氧化皮的生成和剥落是不可避免的过程，但通过锅炉燃烧调整等技术手段，避免受热面超温运行，保持壁温平稳变化，减缓氧化皮的生成，实现氧化皮受控剥落，可以因避免氧化皮大量剥落造成的危害。

[1]边彩霞，周克毅，胥建群，等.锅炉过热器蒸汽侧氧化膜瞬态应力的有限元分析[J].动力工程，2008，28（5）：697-700.

[2]沈嘉年，周龙江，李铁藩，等.水蒸气加速Fe-Cr合金高温氧化的作用[J].材料研究学报，1998(2)：128-132.

[3]汪德良，李志刚，柯于进，等.超超临界参数机组的水汽品质控制[J].中国电力，2005(8)：57-61.

The Successful Experience of Oxide Layer of the Austenitic Stainless Steel Pipe Exfoliating in Controlled

ZHOU Yong1，WANG Zhongzheng2，TIAN Ze3
（1.Shanxi Yuguang Power Generation Co.，Ltd.，Shuozhou，Shanxi 036900；2.Huadian Shuozhou Thermal Power Co.，Ltd.，Shuozhou，Shanxi 030001，China；3.Shanxi Electric Power Zhangze Co., Ltd.Tonghua Power Generation Com pany，Xinzhou，Shanxi 034114，China）

Oxide layer exfoliation ofaustenitic stainless steel is theworld difficultproblem to dealwith.In this paper,according to the tube-burstof criticalboiler final superheater in a Shanxiplant，the reasons ofoxide layer formation and exfoliation are analyzed.The measures to render the oxide layerexfoliation in controlare summarized,which could provide references for theunitof the same type.

supercritical；high temperatureheating surface；oxide layer

TM621.2

A

1671-0320（2015）05-0054-03

2015-05-23，

2015-07-15

周 勇（1977），男，吉林四平人，2000年毕业于长春工程学院发电厂及电力系统专业，助理工程师，从事发电厂运行管理工作；

王中正（1962），男，山西怀仁人，1983年毕业于大同技校热能动力专业，工程师，从事发电厂工程管理工作；

田 泽（1977），男，山西朔州人，2002年毕业于山西大学工程学院电力系统及其自动化专业，工程师，从事电厂运行管理工作。