火电厂锅炉金属氧化皮剥落问题及防范措施研究

王佩亮

摘要：随着我国发电技术的发展，大容量、高参数火电机组大量投入使用。然而，对于超临界和超超临界火电机组来说，炉管氧化皮脱落是一个普遍存在的问题，由于氧化皮脱落堵塞而造成的锅炉爆管事故也成为近年来火电厂锅炉运行发生概率最高的事故类型。因此，探讨锅炉氧化皮脱落的原因并提出针对性的预防措施，对提高电厂运行的安全经济性有极大意义。

关键词：火电厂锅炉；金属氧化皮剥落；防范措施

1 绪论

近些年，我国电力建设取得迅速发展，因为大容量超临界机组具有环保能力强、排污少、煤燃烧效率高等优势，所以近些年保持着高速增长，该机组也更好契合我国提升能源效率的未来发展方向。该机组容量相对较大，而且蒸汽参数持续增长，新型的耐热钢凭借着强度高，抗蒸汽氧化性能佳等优势，在过热和再热装置的高温受热面领域都得到了广泛应用。在锅炉使用时间不断增长的环境下，锅炉会出现不同程度的金属氧化皮剥落问题，这样，就很容易将锅炉的管道产生堵塞效应，这样，就会对整个系统带来巨大的威胁，不仅容易导致爆管问题，严重之时，还会对阀门、叶轮等相关组件带来显著的破坏性，蒸汽水的品质也会受到极大的负面影响。因此，防范该氧化皮的脱落，就成了强化锅炉安全的关键措施，而这也是当前增强火电厂生产安全性的一个重要研究内容。

2 氧化皮形成及剥落的机理

1929年，德国科学家Schikorr发现，金属在高温水汽之中，容易伴生氧化效应，而其中的氧气，就是水汽中的结合氧，和其溶解的氧没有关联性。到了上世纪七十年代，德国科学家进一步通过显微镜来进行观察，进一步得出铁元素和水汽直接反应，进而生成相应的氧化物，其反应式如下：

3Fe+4H2OFe3O4+4H2

在具體生产环节，电站锅炉在投产之初，其中蒸汽中的氢元素具有较高的含量，这说明了上述的反应方程式具有正确性。随后不久，该氢气含量又会随之下降，这也表明金属表面所存在着的致密性氧化皮开始形成。而这所需要的时间，不会超过20h。另外，经过计算，水中所溶解的氧气难以为这种反应提供更多的氧元素，这也进一步反应直接出现上述反应的正确性。金属在蒸汽环境中，构成氧化皮属于自然过程，在初期，氧化皮的生成相对快速，然而，一旦形成，那么氧化反应速度就会显著下降。另外，在初期，氧化皮结构具有显著致密性，通常属于双层膜结构。它能够进一步阻碍氧化反应。如果环境因素交叉，比如存在着超温，或者压力波动，这样，金属的双层膜氧化皮，就会进一步演化成多层膜氧化皮结构，而随着该氧化皮厚度的不断提升，最终就容易出现脱落。而最容易出现脱落的区域为U型立式管上部，其中出口端表现的更为突出。因为该区域有着较高的温度，而且皮层厚度更为突出。再加上该部位还会承受自重，因此拉应力更大。当温度显著变化之时，该部位的拉伸水平就会随之改变，再加上热胀系数之差，就会让氧化皮和金属体之间出现松动，进而使之该部位的氧化皮更容易被剥落。

3 影响金属氧化皮的形成及剥落的因素

3.1 影响金属氧化皮的形成因素

相关实验显示，在超温环境之下，金属材料自身属性是导致出现氧化皮的关键原因。第一，超温环境的影响。在火电机组运行期间，锅炉受热表面的氧化层厚度为渐渐提升。而管壁在超温环境之下，过热和再热装置的表层氧化皮会加速变厚。第二，材料所带来的影响。材料不同的氧化层，其抗剥落能力会有着显著差异，所以，材料的科学选择就显得极为重要。如果在钢材中适当掺入一定量的铬，那么抗氧化性能就会随之提升，当前，SA213T23＼＼ T91＼＼TP347H这三种钢材，第一种抗氧化温度较低，而后两种则相对较高。

3.2 影响金属氧化皮剥落的因素

研究显示，金属氧化皮剥落，会受到不同因素的差异化影响，除了物性参数之外，还和氧化皮厚度以及温度的动态变化有着显著关联性。对于前者而言，当氧化皮增长至一定厚度之后，其中不锈钢超过0.1毫米，铬钼钢厚度处于0.2至0.5毫米之间，此时，如果温度动态变化显著，那么就容易激发氧化皮脱落。另外，随着氧化皮厚度的不断提升，其弹性也会随之下降。而针对温度的变化，当机组在停机和开启之时，温度、负载和压力等都会出现显著变化，此时的氧化皮也更容易出现脱落。国外的600兆瓦的超临界寄主，在其主蒸汽管道中，利用等速采样系统对其启停和满载这几个不同环境进行测试，总结了三百多份蒸汽样本。结果显示，在开启和停机阶段，同体颗粒浓度要比正常环境下高出二至三个数量级，这也表明氧化皮剥落在启停阶段更为严重。

4 金属氧化皮剥落规律分析及防范措施

4.1 减轻金属受热面超温

对煤粉吸毒，燃烧装置结构等部件进行相应的调整，进而对其燃烧条件进行优化。可以在炉膛区域，引入吹灰装置，并对燃烧装置进行优化，进一步扩展锅炉的受热面，并为再热装置上的部分管屏之上，配置相应的绝缘材料，最后对受热面的通道加以优化，其目的就是防范金属受热面的温度，从而最大限度控制氧化层产生。

4.2 优化锅炉启停参数

在火电厂锅炉启停环节，主要是对其参数进行相应的优化，譬如，提前引入旁路系统，然后在启动锅炉时，伴随该旁路系统的启动，这样，固体颗粒对汽轮装置的冲蚀效应就会显著下降，同时对启停参数加以优化，将制粉系统的运行进行适当的延迟，将低负载运行环节进行缩短，从而实现氧化层适当的降低。

4.3 母材及结构优化

应用具有更高抗氧化性以及许用温度的T22钢材来制作受热面。从原材料角度来对其展开优化，对那些容易超温的管材零部件，加以更换。借助于给水加氧，对金属氧化皮进行处理，让氧化皮上的四氧化三铁转换成稳定性更强的三氧化二铁进行覆盖，这样就能提升该氧化皮稳定性。此外，针对受热面还可以镀上铬元素，并进行适当的化学清洗，最大限度降低该氧化皮厚度。另外还需要从锅炉结构角度展开设计，这同样也会降低该氧化皮的厚度，譬如，将喷嘴结构、主气阀门等结构进行优化等。

4.4 建立严格规范的检修制度

当前，针对金属氧化皮的处理，并没有全面的消除方式，因此，还需要从管理视角，构建和执行定期抽检和检查制度，对现场管理水平加以提升，从而更好的提升设备的安全运行水平。

参考文献：

[1]曹烨.火电厂锅炉氧化皮脱落的原因分析与预防措施[J].工程技术：引文版，2017（1）：289.