600 MW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）

600 MW超临界锅炉高温管屏蒸汽氧化探析

高清林1，陈敦炳2，黄庆专1，张仁金1

（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）

分析了600 MW超临界锅炉高温管屏蒸汽氧化及其氧化皮剥落机理和影响因素，总结了氧化皮的生成、剥落和堆堵对锅炉安全运行的危害，并从管材的选择及其热处理和锅炉设备的设计、运行等环节入手，提出了减缓氧化皮生成、防止氧化皮集中脱落、避免因氧化皮堆堵而导致锅炉高温管屏超温爆管的预防措施。

超临界锅炉；高温管屏；蒸汽氧化；爆管

随着火电机组不断向高参数、大容量方向发展，近几年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，使锅炉高温管材的蒸汽氧化问题日益突出，严重威胁电力系统的安全、稳定运行。

炉管因蒸汽氧化而爆管的原因一是氧化皮的生成；二是氧化皮的脱落；三是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氧化皮，氧化皮附着在管壁上并在运行中不断增厚。当氧化皮达到一定厚度后，在外界扰动作用下将脱落，脱落后的氧化皮可能在管中形成堆积堵塞现象。

1.1 氧化皮的生成

金属的氧化过程是通过离子的扩散进行的。当含Cr合金钢炉管长时间通流高温高压的蒸汽时，在氧化的初始阶段，活性较高的Cr3＋很快扩散到管子内表面，并与蒸汽中的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。随着时间延长，Cr2O3氧化膜以下的基体金属也相应发生了Cr的贫化，同时，在超温或温度、压力剧烈波动等情况下，表层Cr2O3氧化膜会出现细微的裂纹，基体中的Fe2＋和Fe3＋便向Cr2O3氧化膜外扩散，并与蒸汽中的O2⁃反应生成氧化皮［1］。

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，氧化速度也较为缓慢；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，而蒸汽中的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，即氧化皮主要由FeO组成。由于FeO的晶格可置换、不致密，体积很小的金属离子很容易通过它向外扩散，所以金属在高温下的抗氧化性能大大降低。

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，形成的氧化皮加厚。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，周围的氧直接侵入内部与金属发生反应，形成“破裂氧化”，且这种氧化过程要比扩散氧化过程快。

1.2 氧化皮的脱落

数值模拟炉管内壁氧化皮的剥落机理，结果表明，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如下：

a.合金氧化生成氧化皮时，因体积增大而产生的膨胀应力；

b.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；

c.因炉管内汽水两相流动产生的振动、炉管外烟气走廊形成的共振以及管壁温度快速、大幅度变化等附加载荷产生的应力［2］。

在温度变化过程中，当不断累计的热应力、膨胀应力和外载应力的总和超过氧化皮的抗拉（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。

1.3 氧化皮的堆堵

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也较高，少量剥落的氧化皮随即被高速汽流击碎并带走，一般不会造成氧化皮在炉管中的堆积。但在锅炉启停或温度、压力波动较大时，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现象往往发生在停炉后的再次启动过程中［3］。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，在汽流带动和氧化皮自身重力的作用下，大块的氧化皮沉积在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，将剥落的氧化皮淹没，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，在启动初期，首先是尺寸大、强度高的氧化皮在炉管弯头、变管径处和联箱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较小，无法将其破碎并带走；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有大幅提高，也很难对其产生扰动并带走。

2 锅炉过热爆管

对于薄壁压力容器，其在工作中受到的环向应力为［4］

式中 σ——管壁上的环向应力，Pa；

P——管内蒸汽压力，Pa；

D——管径，mm；

t——壁厚，mm。

氧化皮的堆积使炉管通流截面减小，导致其流动阻力增大，流速变慢甚至停滞，使管壁温度升高，进而加剧氧化皮的脱落，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。

在超温过热条件下运行的炉管，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，导致炉管胀粗，管径增大；同时，超温过热也加速了炉管表面的氧化，使管壁变薄，这些因素都使炉管实际承受的环向应力增大。可见，超温过热条件下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增大，而自身的强度却下降，当作用在管壁上的环向应力超过管材的许用应力时，将导致炉管爆破。

3 防止氧化皮堆堵爆管的措施

3.1 炉管选材及其热处理

3.1.1 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。Cr2O3是高温下热力学性能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［5-6］，大大增强了其抗高温蒸汽氧化的性能。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。

3.1.2 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蒸汽氧化行为的主要影响因素。

a.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。

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

c.对炉管内壁镀Cr或用铬酸盐溶液在305℃条件下循环48 h，也能减缓管内氧化皮的生成和剥离［6］。

3.2 改进管屏设计

a.适当增大管屏弯管的弯曲半径，以减小氧化皮剥落后在管内堆积堵塞的可能性。

b.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超限报警装置，扩大对炉管运行温度的监控范围。

c.适当降低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调整，降低超温风险。

d.在高温管屏进口段加装节流圈，以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 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。

3.4 运行中吹扫氧化皮

a.在机组启动负荷升到500 MW以上时，以20 MW／min的变负荷率多次快速升降负荷，造成蒸汽的不稳定流动，以利于冲散氧化皮［7］。

b.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。

c.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，并利用高温蒸汽流量下的携带能力带走脱落的氧化皮，在检修时彻底清理。

3.5 严禁锅炉超温运行

a.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、修正中间点的温度等措施，严格控制主、再热汽温及其受热面金属温度在合格范围内。

b.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。

3.6 严格控制温度变化速率，避免受热面壁温大幅波动

a.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，启动过程中升温速率应控制在2℃／min以内。

b.机组热态启动过程中，锅炉烟风系统应与其它系统同步启动，在炉膛通风结束后应立即点火，并尽快增加燃料量，控制受热面升温速率为5～6℃／min，防止烟风系统启动后的长时间强制冷却或升温升压速度过慢导致受热面金属温度出现大幅回落［8］。

c.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。

d.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，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。

e.汽温调节尽量采用调整燃烧器摆角和再热器烟气挡板，当需要喷水减温时，应优先使用一级减温水，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，严禁减温水脉冲式变化。

f.机组正常停机宜采用滑停方式，滑停过程中蒸汽的温降速率应控制在2℃／min以内，并注意及时调整各级减温水量。

4 注意事项

a.在燃烧配风调整中，若SOFA风的水平反切角度未合理调整或因考虑煤粉燃尽问题而把最上面的几层SOFA风门关小甚至全关，将会削弱SO⁃FA风的消旋作用。

b.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。

c.严禁锅炉爆管后继续运行或紧急停炉。

d.锅炉MFT后吹扫风量应控制在30%以内，并严格控制吹扫时间，当吹扫完成后，应及时停运送、引风机；尽量避免通风冷却，若因锅炉抢修需要，应在炉膛温度降至180℃以下方可进行通风（冬季环境温度较低，应等炉膛温度降至150℃才能进行通风）；在机组强制冷却抢修后，应进行受热面氧化皮检查清理。

e.机组采用滑参数停机时，应特别注意低负荷时汽温的控制，在停机最后阶段应注意控制煤仓的煤位，当煤仓烧空时应及时调整其余磨的出力，并维持一次风压等参数的稳定性。

5 结束语

超临界直流锅炉高温管屏蒸汽氧化不可避免，重要的是有效减缓氧化皮的生成，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，锅炉超温运行将会使炉管蒸汽氧化的速度加快，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，导致管内氧化皮大面积脱落。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］ 何 磊，刘志杰，宁献武.超超临界1 000 MW机组给水加氧处理探讨［J］.东北电力技术，2012，33（1）：17-21.

［2］ 陈 鹏，程玉贵，夏玉恒.800 MW机组锅炉过热器氧化膜脱落原因分析及对策［J］.东北电力技术，2008，29（7）：43-46.

［3］ 饶庆平.超临界锅炉超温爆管的防范［J］.电力与电工，2010，30（4）：12-15.

［4］ 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，2007，36（11）：77-83.

［5］ 张继文，袁燕明，廖伟辉.超临界600 MW机组锅炉高温过热器爆管原因分析及预防措施［J］.热力发电，2010，39（6）：85-100.

［6］ 窦莹婷，李 君，张 峥.过热器炉管爆管原因分析［J］.材料工程，2012，57（4）：12-16.

［7］ 陈文林，宁献武，李永刚.超超临界锅炉降压吹管与稳压吹管的对比［J］.东北电力技术，2012，33（5）：39-42.

［8］ 翁志斌.600 MW亚临界锅炉水冷壁爆管原因分析［J］.锅炉技术，2012，43（5）：57-61.

Approach and Analysis on Steam Oxidation of High Temperature Tube Panels for 600 MW Supercritical Pressure Boilers

GAO Qing⁃lin1，CHEN Dun⁃bing2，HUANG Qing⁃zhuan1，ZHANG Ren⁃jin1
（1.Fujian Electric Vocational and Technical College，Quanzhou，Fujian 362000，China；2.Fujian Huadian Kemen Power Generation Company Limited，Fuzhou，Fujian 350512，China）

The paper analyzes the mechanism and influence factors of steam oxidation and oxide coating peeling on high temperature tube panels of 600 MW supercritical pressure boiler.It summarizes the harm to the safe operation of the boiler because of causing，peeling off and accumulation jam of oxide coating.It also puts forward the precaution and control measures to reduce the oxide coating production，preventing the centralized peeling of oxide coating，avoiding explosion of the high temperature tube panel due to oxide coating accumulation jam，with aspects to the selection of tube material，to the design and operation of the boiler equipment etc.

Supercritical pressure boiler；High temperature tube panel；Steam oxidation；Tube cracking

TK229.2

A

1004-7913（2015）03-0038-04

福建电力职业技术学院科技项目（2013KY003）

高清林（1965—），男，硕士，教授，主要从事火电厂金属材料教学与科研工作。

2014-11-25）