火电厂锅炉氧化皮问题原因分析及预防措施

酒钢（集团）公司宏晟电热公司 王 洪

超临界机组因其显著提升了煤炭燃烧设备的效能，减低了能源消耗，并且有效地削减了有害物质的释放而备受青睐，当前超临界机组它已被视为中国主要的电力来源之一，且成功实现国内自产。国内已有多个600MW 级别的超临界机组及1000MW 级别的超超临界机组投入运行或正在建设中。为应对火力电站设备规模的持续扩大及蒸汽条件的持续提升，一些新的高温耐热金属已被采用，以满足其强度的需求并抵抗高参数带来的氧化反应。

然而，在高温高压环境下，当锅炉运行时间增长后，其高温受热面管道的氧化现象会加剧，从而产生大量氧化层。一旦氧化层达到一定的厚度，可能会因为温度变动或物质的变化而脱落，并在炉管弯曲部分聚集形成局部过热，最终引致金属疲劳失效造成过热爆管。此外，混入锅炉主蒸汽内的氧化物也可能影响下游汽轮机设备的正常运转，甚至损伤汽轮机叶片，这对于电力生产构成了严重的安全风险。

全国范围内的超临界火力发电机组经常遭受由氧化层掉落引起的炉管泄漏事件的影响，这对工厂的经济运营产生了阻碍。因此，生成于耐热钢炉管上的氧化层脱落问题已经成为各发电厂的主要生产瓶颈之一。在众多研究中，针对此一方向的研究大多集中在实验室内，且很少将其与实务操作相结合，这就使工程问题无法得到有效解决。基于这个原因，本文通过调研若干火力发电厂在实际运作过程中发生的氧化层掉落状况，希望能够提供一些关于工程问题的理解和科研方向的指引。

1 典型火电厂氧化皮脱落爆管事故统计

对十余个标准火电厂进行调研，并统计了锅炉因氧化皮脱落引发的炉管过热爆管事故，具体数据见表1。

表1 各电厂氧化皮脱落及爆管事故的统计

2 脱落氧化皮的宏观特征

在调查过程中，仔细检查了各个发电站超过温度管道的内部表面，发现在不同的钢铁类型下，氧化层脱落的特点存在显著差别。例如，对于T23和T91这类铁素体材料来说，氧化层通常较为厚实，可以达到1mm 左右，并且以大范围且明显的凸起破碎及大规模的块状掉落作为特点。然而，像TP347H 和Super304H 这样的奥氏体不锈钢，氧化层相对更薄，只有30～50μm，而且是以小型片状形式脱落为主，如图1和图2所示。这种脱落后产生的氧化物很容易在U 型管道底部的拐角处、出入口管道的中部，以及连接设备的调节口位置聚集，如图3所示，进而引发局部高温并最终导致超温爆炸事故的发生[1]。

图1 超温管子内壁内窥镜检查情况

图2 脱落氧化皮的宏观形貌

图3 脱落氧化皮在管内的堆积特征

3 金属氧化皮形成原理

20世纪三十年代，德国科学家Schikorr 发现金属能在高温水蒸气中进行氧化反应[2]。这种氧化反应的氧源自水分子内部的结合氧，随后的研究揭示了生成氧化反应所需的化学方程式：

3.1 氧化皮形成方面

研究表明，对于锅炉金属氧化皮而言，如果实际工作条件超过了正常范围，那么由于金属自身的特性会导致氧化皮脱离的现象发生。对此问题可以从两个角度来深挖：一是高温环境如何影响到金属氧化皮；二是各种材质对其产生的差异化作用。事实上，各类材质的耐氧化程度有显著差别，这说明选取合适的材料至关重要。所以，在挑选材料的过程中需要特别注意的是，一旦形成了氧化皮后其防脱落能力尤其是针对钢材来说，应尽可能选用含铬量高的品种，这样才能保证其抗氧化的效果。一般来说，在选择钢材的时候往往倾向于使用T91和TP347H 这两个牌号的钢材，因为其抗氧化温度比较高，能有效减缓氧化皮增厚的风险。

3.2 氧化皮剥落方面

深度研究表明，许多变量的影响可能显著地导致金属氧化皮的掉落。此过程涉及的不只是物理性质参数，还包括氧化皮的厚度及温度的持续变动。例如，随着氧化皮厚度的增长至特定阈值，其中包含的不锈钢或铬钼钢厚度也将随之增大，达到约0.1mm 和0.5mm。若相应温度发生剧烈波动，则金属氧化皮脱离的风险亦大幅提升。此外，氧化皮厚度的增强同时伴随着弹性的减弱，加上温度的动态变化，设备启停或变参数状态下的温湿压差也有所异动，这进一步加大了氧化皮脱离的可能。针对该问题，国内已进行了大量相关研究，如以600MW超临界锅炉为实例，通过使用恒速取样器，分别于运行全负荷条件下测定了主蒸汽管道通、断及空载等各种环境条件下的数据，共收集整理了上百余个样本。总体来看，在执行启停动作期间，单位颗粒浓度的存在率较常规状况提高了近一倍，因此可以推断，在机组启动、停机或升降负荷变参数运行阶段，金属氧化皮的分离情形可能会更为严峻[3]。

4 金属氧化皮剥落规律分析及防范措施

金属氧化皮脱落的原因众多，不仅受到物理性质参数的影响，还受到金属氧化皮厚度和温度变动的大小影响。其物理性质参数规律可以通过以下公式来描述：

其中，ΔT是受压应力作用的氧化皮产生剥落的临界温度降幅，ξ为氧化皮厚度，Eox为杨氏模量，Vox、γF分别为泊桑比和界面间断裂能（取决于氧化皮与金属材质的机械性能），am和aox分别为金属的线性热膨胀系数与氧化皮的线性热膨胀系数。

一旦金属表面被氧化到特定的程度，例如对不锈钢而言是0.1mm，由于温度升高有可能引发脱落现象。特别是在电力设备开启和关闭的过程中，尤其是压力、温度和载荷变化剧烈的时候，容易出现氧化物脱落的情况。由于锅炉管道存在的氧化物问题及可能带来的安全隐患，所以需要定期检查其氧化物厚度。使用超声波测厚器或者磁通量计可以准确无误地确定管壁氧化膜的深度，并且可作为企业决定是否替换或修复炉管的重要依据。基于锅炉运转中常见的氧化皮生成原因，包括多种复杂情况，全面研究了氧化皮形成的原因，从而提出了一套针对预防金属氧化皮及其缓解氧化皮的方法。

4.1 减轻金属受热面超温

经过前述研究可以得出结论：高温下的金属表面会显著影响其氧化物的脱落。所以，对于此问题应予以足够的关注和重视。针对实际发生的氧化物脱落情况，需要适当地调整入炉燃料颗粒的大小、燃烧器的构造，以及锅炉对多种煤炭的掺烧适应能力，以此保证锅炉的高效运转；同时，还需依据锅炉的工作状况来合理地增设炉膛区域的清灰设备，并改善燃烧器的设计，尽量在可接受的范围里扩展锅炉的辐射热交换面积，还应对锅炉过热器、再热器的管道组件做全面考量，并在合适的位置放置隔热材料，此外，还需要继续优化锅炉的热交换路径，通过增加辐射热交换受热面，尽量防止对流区高温受热面金属表面的过热现象，减缓氧化膜的迅速生成[4]。

4.2 优化锅炉启停过程中的参数控制

一般而言，当火力发电站的锅炉点火启动或停运冷炉时，其相关的参数往往会出现波动性转变。因此，有必要对其进行更深层次的调整和优化，比如迅速使旁通设备进入正常的运作状态，甚至可以通过带有旁通的方式来启动，这样能有效防止因启动而导致的固态粒子污染下游汽轮机的现象发生，同时也能更好地掌控启动期间的主参数的变化情况。

4.3 母材及结构优化

为了减轻和防止氧化层掉落后的情况发生，需要高度重视对于合金材质的选择问题。建议使用高耐温且具有良好防腐蚀性的T22类产品作为蒸汽管道的热交换表面；同时应持续改进基础原料以确保其符合规定的操作条件并定期更新可能超过设定工作范围的产品部件，从而保持适当的工作环境。此外，相关的人员也可以采用供水充氧的方式去处理锅炉的金属氧化层，在这个过程里，可以把已产生的四氧化三铁表面涂上一层三氧化二铁，比如，对于锅炉表面的加热部分实施镀铬或使用化学洗涤等方式，以此影响氧化层的溶解率，从而使其稳定性得到显著提高，同时也能有效减轻氧化皮的自然脱落现象。

5 结语

本文以金属氧化皮产生的原因为基础，着重阐述了导致氧化皮脱落的关键要素，同时根据这些原因提出了一系列预防或缓解氧化皮形成的方法。尽管在实验室环境下做的相关的氧化皮生成试验与实际锅炉情况存在一定的差异，但是整体上提出的预防策略相似，其中降低氧化皮增长速度及减少热应力的波动程度，被认为是有效地防止金属氧化皮生长的手段。