浅谈火电厂锅炉金属氧化皮剥落问题及防范措施

吉林电力股份有限公司长春热电分公司 邓 欣

1 金属高温氧化及氧化皮的形成及剥落

金属在使用期间受温度的作用表面可能会被侵蚀，或是由于温度过高发生氧化反应，一定程度上降低金属应有的性能。金属表面的性质同金属的恶化程度有直接关系，有关运行维护人员需要虑的问题便是如何采取有效措施延缓金属恶化的程度，以及在金属表面形成防护层能否保证金属受侵蚀后性能不发生变化。处于火电厂环境中锅炉的炉管最易发生氧化皮脱落，而一旦发生这种问题将会堵塞炉管，从而增加火电厂运行过程中的安全隐患。从火电厂发生意外事故的整体来看，由于氧化皮脱落造成的事故所占比例巨大。为能降低安全风险系数，避免产生不必要的经济损失，保证运行维护人员的生命安全，需要将处理此类事情放在重要位置。

另外，大部分锅炉在燃烧过程中并没有安装保温回热的装置，导致大量的热量自然挥发掉。而浪费掉的这部分热量需额外借助煤炭能源将其补回，一定程度上加剧了能源消耗。此外由于火电厂中的锅炉普遍存在漏风漏灰问题，导致其很难做到节约能源，无法降低能源消耗。如果不仔细去分析，这个事情看上去并不是十分严重，但要对其进行深入研究，就会发现锅炉存在漏灰问题，就代表着有一部分热量没有得到优化利用。风顺着漏风地方进入锅炉降低锅炉内部温度，从而导致运行维护人员需添加额外的煤粉来补充温度，一定程度上造成能源的不合理利用[1]。此外，由于锅炉漏风将会造成煤粉无法均匀燃烧，即便是所选择的煤炭品质上乘也无法改变这一问题。这与燃烧质量不好的煤粉起到异曲同工之妙，都是无法保证火电厂实现能源的合理配置。尽管需补充煤粉数量对每天燃烧数量所占比例甚小，但积少成多，就会发现资源浪费极其严重。

火电厂燃煤过程中一般都选择低污染、高燃煤效率且容量大的超临界机组燃煤，且它与我国节能减排方针政策相符，已在火电厂建设中得到广泛应用。随着发电机组容量不断扩展，蒸汽参数的变大，在高温受热面上面已开始应用抗氧化且高强度的耐热钢材料。由于火电厂中的锅炉属于不间断的使用，在此过程中受热面管由于种种原因作用将会剥落氧化皮，从而造成锅炉管堵塞造成爆管问题[2]，严重情况下还将磨损叶轮、阀门，降低蒸汽水的质量。所以说现阶段在对火电厂安全进行研究过程中，如何解决金属氧化皮剥落问题已受到越来越多重视。

从研究上看，相关学者大都集中在研究锅炉金属氧化皮是如何形成的，却很少根据锅炉的使用材质、生产运行等方面进行具体分析。总的来讲尚未采取有效措施预防金属氧化皮剥落问题。上世界二十年代末，德国科学家发现在高温水汽环境下金属很容易发生氧化反应，但水汽中的氧同溶解氧两者间没有任何关系。到七十年代，通过进一步的研究可知，水汽和铁元素两者间发生化学反应能直接形成氧化物，具体原理如下：

火电厂实际运转过程中，锅炉在正式被应用前，蒸汽中含有大量的氢元素，侧面验证了上述结论的正确性[3]。但当锅炉被投入使用后氢气含量会不断减少，这就意味着锅炉金属表面开始逐渐形成氧化皮，从出现到最终形成一般不多于二十个小时。在此期间水中所含的氧气不能够为种种化学反应提供所需的氧。在蒸汽环境下金属属于自然而然的形成氧化皮，在反应最开始阶段，氧化皮本身具有致密性，一般情况下是双层膜结构，它能有效阻止氧化反应的进一步继续。但如发现有其他外力因素的干扰，如压力波动或是超温，此时金属的氧化皮将变为多层膜结构[4]。随着时间的推移，氧化皮的厚度逐渐增加、最终不堪重负而脱落。一般锅炉的出口段及U 型立式管上部是脱落最容易的地方，这是因为此区域的温度较高，皮层厚度大，受自重的影响拉应力加强。一旦温度发生变化，这个区域的拉伸随之发生变动，导致金属体和氧化皮之间出现明显松动，最终造成氧化皮脱落。

2 锅炉氧化皮脱落原因及造成的影响

火电厂锅炉在运行期间蒸汽温度可高达六百度左右，刚好符合蒸汽氧化的范围。这时水蒸气就会自然分解，然后同锅炉的金属离子发生化学反应，也就造成金属氧化皮。随着高温时间的延长，金属管壁就会一直处于氧化状态，最终产生大面积的氧化皮。一旦氧化皮的厚度达到一定数值后便会自然而然进行脱落。以下是造成氧化皮脱落的相关原因[5]。

炉管材质的影响。火电厂所使用的锅炉合金成分丰富多样，各种成分的抗氧性及温度上面存在明显差异。如在设计锅炉过程中未能考虑这些条件，将导致炉管温度在很长时间超过抗氧化温度，导致其锅炉氧化速度加快，氧化皮的厚度将会超出一定标准从而剥落；管壁温度的影响。对于氧化皮发生剥落的锅炉或者是出现安全事故的，通常情况下可以翻阅运行记录来确定是否由于管壁温度过高造成。如果锅炉在运行过程中，其金属表面温度超出可接受的温度，就会迅速进行氧化，从而导致氧化皮厚度不断增加，等到了某一个厚度值之后，将会发生氧化皮脱落。

机组启停过程中产生的热应力。火电厂运行过程中在启动机组时，一般情况下会承受较大的热负荷。如果在此过程中水循环标准达不到相关规定将会导致炉管保持高温干烧，从而导致迅速发生氧化反应。一旦发生这种现象，通常运行人员会选择往炉管中喷入温水的方式进行降温。尽管这种做法能降低炉管温度，但却会造成热应力，从而致使氧化皮剥落。目前常见的氧化皮脱落现象都是由于这种问题导致的。等机组停止运转时，热负荷将会发生大幅度波动，或是只能借助温水来保持蒸汽的热量，导致降低温度、产生热应力、剥落氧化皮。总的来说，机组在启停过程中温度的变化会引起热应力的变动，从而导致氧化皮剥落。

主汽门容易卡涩。火电厂运行过程中，为避免机组在运行期间由于大闸停机造成飞车，一般会为火电厂配备汽机高压主汽阀，它还能在一定程度上保障机组调机安全。如果在火电厂正常运行期间，机组进行甩负荷作业时主汽阀未能及时关闭，很易在此过程中出现危险。阀杆同主汽阀阀套之间间隔小，一旦锅炉管受外界因素影响剥落氧化皮，那么它将会卡在间隙当中，从而导致主汽门卡涩。

发生爆管。火电厂中的锅炉金属在剥落氧化皮后会堵塞锅炉管道，导致管道内的蒸汽流通困难，导致由于高温作用造成管道炸裂。由于高温造成管道炸裂的意外事故在很多火电厂中都曾发生过，事发后为尽可能避免产生不必要的损失通常需借助化学清洗。随着氧化皮测厚技术的不断转型升级，当前火电厂已可根据锅炉受热面的基本状态来推断锅炉能够使用的时间。

汽机相关部件受损。锅炉过热器和再热器上面的金属氧化皮一般都会跟随蒸汽进入汽机中，受汽机喷嘴的影响速度不断上升从而产生动力。在此过程中，如和汽机中的动叶或喷嘴发生接触将会损害叶片，一定程度上降低汽机运作效率，叶片强度随之发生改变，严重情况下可能导致叶片直接断裂；增加水蒸气中铁元素含量。锅炉金属氧化皮剥落过程中，一些细小颗粒会被高速运转的水蒸汽带出去，等到同汽轮机上叶片发生接触后颗粒将会被再次破碎，并会促使叶片中的冲蚀物体进入凝汽器里。而那些细小颗粒会四处扩散，成为热力设备结构当中的一份子；造成锅炉受热面温度超出一定范围。同金属木材之类的材料相比，锅炉金属氧化皮的导热系数偏低，锅炉管壁在产生氧化皮后将会增加锅炉管道中的导热热阻，进一步促使金属管道升温。

3 防止锅炉金属氧化皮剥落的有效措施

将锅炉运行温度控制在一定的范围内。通过对锅炉金属氧化皮形成、脱落的原因分析可知，为避免在短时间锅炉金属部位形成氧化皮，首要措施是保证整个火电厂运行期间温度得到有效管控。不管是主要蒸汽产生的温度值还是其他方面产生的温度，都需将其控制在合理范围内，从而保证锅炉管道壁温度不会在运行过程中发生较大变化。一旦在锅炉运行过程中发现锅炉管道壁温度超出既定范围，就需在第一时间采取措施调整燃烧。如这种做法不起作用，就应一定程度上降低中间点的温度，从而保证整体温度适中。通过这样的措施，能避免由于锅炉受热面温度过高而造成金属氧化皮脱落。

合理管控锅炉运行的开始与停止。当启动机组后需严格遵守相关步骤规定，把控机组整体的温度，最大程度上降低机组变化频率，防止发生紧急停运。监视系统运行的状态，一旦发现运行问题及时采取有效措施解决问题，尽可能防止气温、压强等发生过大的变化。锅炉运行过程中需有效管控蒸汽的温度，确保温度变化在可控范围内。将蒸汽温度变化速率标准降低，从而有效避免锅炉管道温度变化过大造成剥落氧化皮。此外锅炉内部最好不要使用太多温水，避免锅炉内气温产生剧烈波动。

做好清理氧化皮工作。维护人员需及时查看锅炉内部氧化皮堵塞情况，从而确保在第一时间清理产生的氧化皮。从全局出发，在防磨爆体系中添加监测氧化皮工作，只要是存在高温受热面问题就应进行检查。在检查过程中，对堆积过多氧化皮的管道应及时进行切割。在进行机组清理工作过程中，可借助氧化皮检测仪器进行全方位检测。另外射线检验也是一种有效措施；做好温度检测工作。需采取一定手段避免机组运行过程中温度超过限定范围，提前制定相应的防温措施，加大金属超温研究力度。此外在机组内部需采取必要手段保证锅炉管道壁检测温度工作有序进行。在此过程中应确保检测人员人身安全。锅炉运行过程中，需实时监控锅炉受热面温度变化情况，一旦发现锅炉温度超出合理范围应及时寻找解决办法。

提高锅炉材质的抗氧性能。锅炉氧化皮脱落同锅炉材质有着一定关系，一般T23含量较多的锅炉管剥落氧化皮发生几率更高。可将锅炉材质更换为耐热性能良好的T91材质；控制锅炉金属受热面温度。为保证锅炉可充分燃烧，需优化改进煤粉精细度、调整燃烧器相关结构；将吹灰器安装在锅炉炉膛内部能有效改善燃烧器的使用状况，扩大锅炉的受热面积，从而保证锅炉金属受热面的温度保持在一定的范围内；优化金属结构。锅炉的具体材质同氧化皮的形成于剥落有着很大联系，为此需对其进行优化。一般来讲，将锅炉受热面的材质换成T22这种氧化性较高的材质，能在一定程度上降低氧化皮剥落的概率。在清理金属氧化皮时可选择往水中加氟的方法，能有效提高氧化皮的稳定性。

总之，火电厂锅炉在运行过程中受多方面因素的影响形成氧化皮，并随着温度等条件变化导致氧化皮剥落，在此过程中会在一定程度上损坏锅炉设备。为此要求运行维护人员立足于现实情况，选择切实可行的解决措施，从而保证火电厂安全运行。