超超临界锅炉氧化皮脱落及应对策略

超超临界锅炉氧化皮脱落及应对策略

徐瑞

（苏晋保德煤电有限公司 山西忻州 036600 ）

摘要：超超临界工况下，工质水动力特性变化，导致受热面传热特性发生改变，致使高温受热面管道发生氧化腐蚀，从而生成氧化皮进而剥离、堵塞管道的问题最终引起管道超温爆管，已严重成为电力生产安全的重大隐患，给电力生产及其稳定性带来重大影响，成为困扰发电行业的一大难题。因此，在日常生产运行中掌握防止氧化皮生成的措施成为一种必须掌握的技能。

关键词：氧化皮；剥落；重大隐患

一、氧化皮的概念

氧化皮最早是德国科学家在实验研究中发现的，金属在高温水中会产生氧化的现象。而氧化金属的氧气并不是来源于水中的溶解氧，实际上是来源于水汽的结合氧。而660MW机组锅炉氧化皮问题产生的主要原因是在自然环境条件下，由于空气中的物质发生了化学反应，而主要是空气中的氧气或水，最终形成了氧化皮。

铁与水蒸气直接发生化学反应，生成Fe₃O₄：3Fe十4H₂O＝Fe₃O₄十4H₂

金属在蒸汽中产生氧化皮是一个自然过程。最初，氧化皮形成速度相当快，在形成氧化皮后，氧化速度也会逐渐降下来。金属在最开始形成的氧化皮结构较为致密，通常为双层膜结构，里层为原生膜，是蒸汽中的氧离子和铁氧化的结果，外层为延伸膜。双层膜的形成是蒸汽中的氧离子朝里扩散，铁离子向外面扩散的作用。当温度小于560℃时，氧化铁的结构由钢表面起向外依次为四氧化三铁、三氧化二铁，四氧化三铁、三氧化二铁都十分致密，特别是四氧化三铁可以对钢材起到保护作用，防止进一步氧化。最后，随着金属的冷热不断交换，金属应力会不断循环，负荷变化范围扩增，从而造成金属管壁的温度也随之增加，氧化皮的厚度在达到一定临界点时，金属氧化膜就会产生脱落。

二、氧化层剥离原因

氧化膜厚度达到一定数值时以及温度变化较大等情况下都会造成氧化层剥离。因为热胀系数的差异性，当氧化层达到一定厚度时，基于温度剧烈变化的情况下，氧化皮会出现剥离情况。氧化层的剥离基体是由氧化膜膨胀系数差异的作用力造成。铁与四氧化三铁、氧化铁等的膨胀系数并不相同，具有差异性，处于温度变化剧烈的环境中，就会有剥离现象产生，钢中合金组成会在形成双层膜的情况下，集中于最里层，因为此层面致密性极高，剥离情况会在两层膜中间产生。比如材质和膨胀系数均不一致的过热器，其金属膨胀系数和蒸汽侧氧化皮之间的膨胀系数有着较高的差距。停炉时，因为不锈钢的线膨胀系数为2.1×10^-5，氧化物的线膨胀系数为0.9×10^-6，膨胀系数不同，氧化物脱落无法避免。由于不锈钢在运行时内壁已有大量的氧化物存在，不锈钢和氧化物的膨胀系数又相差较大，而在冷却时不锈钢收缩快，氧化物收缩慢，因此造成氧化物-挤碎-脱落-沉积。启炉时，由于不锈钢在运行时内壁已经有了大量的氧化物存在，在停炉时已经破碎，不锈钢和氧化物的膨胀系数相差较大，但不锈钢的膨胀速度快，氧化物的膨胀速度慢，氧化物破碎量小，一般不会造成氧化物的大面积脱落。氧化物脱落量小，一般不会造成堵塞爆管。

三、氧化皮剥落的危害

锅炉的高温过热器和再热器多为立式布置。每级过热器由数百根竖立的U型管并列组成。内壁氧化皮的存在，不仅导致受热面金属壁温升高，从U型管垂直管段剥离下来的氧化皮垢层，一部分被高速流动的蒸汽带出过热器，另有一些会落到U型管底部弯头处。由于底部弯头处氧化皮剥离物的堆积，使得管内通流截面减小，流动阻力增加。这导致了管内的蒸汽通流量减少，使管壁金属温度升高。当堆积物数量较多时，管壁大幅超温，引起爆管；从高温过热器和再热器管剥离的氧化皮，很大一部分会被有着极高流速的蒸汽携带出过热器和再热器，至汽机调门以后、或再经喷嘴后，获得更大的速度，这些被携带的氧化皮剥离物颗粒具有极大的动能，它们源源不断的撞击汽轮机叶片，使得汽轮机高压缸、中压缸的前几级叶片受到很大的损伤。损伤严重时，前二级叶片会变小、缺损，降低机组出力；

4. 控制思路

1.减缓氧化皮生长增厚的措施

1.1温度和介质压力越高，氧化皮的生成速度越快，在运行中，注意锅炉燃烧调整，防止受热面超温超压，可以有效遏制氧化皮形成。

1.2严禁锅炉超温、超负荷运行。应建立台帐，对运行中出现的超温情况做好详细记录，包括超温温度、运行时间等，并加强统计分析。

1.3严格控制锅炉横断面各管屏温度的偏差，加强受热面的热偏差监视和燃烧调整，改善烟道温度场的分布及受热面管子的吸热均匀性，有效降低受热面管子的壁温偏差和汽温偏差，防止受热面局部超温运行。

1.4为防止炉膛热负荷工况扰动造成受热面超温，运行中应以燃烧调整（如燃烧器角度、风量匹配等）作为汽温主要调节手段，避免用一、二级减温水大开大关来调节汽温。

1.5加强炉膛吹灰，定期清洁炉膛，改善受热面热传导性能。

2.防止氧化皮大面积剥落措施

2.1锅炉启、停及升、降负荷过程中，严格控制升温升压或降温降压速率，在机组负荷低于25%时，应尽可能避免投用减温水。

2.2已安装等离子点火装置的锅炉启动时，在点火初期宜投用少量油枪缓慢提升炉膛温度。

2.3氧化皮剥落和温度变化有直接的关系：因此控制机组启停次数，减缓升温升压速率。锅炉启停中受热面温度变化按照规程规定的参数升降，抑制氧化皮的剥落。

2.4对于已发生大面积氧化皮脱落的锅炉，由于管内氧化皮的传热能力较差，可以适当降温运行，降温幅度以管壁温度不超过限值为基准。

2.5机组跳闸，锅炉停止运行后，应尽量减缓炉内温度下降速度。并做好停炉保护。选用恰当的停运保养方法，如热炉放水，受热面负压抽干等，可有效地减轻过热器管下部弯头的停运腐蚀。

2.6机组启动暖管过程中要保证暖管的压力和蒸汽流量，适当延长暖管时间，目的是对过热器、再热器、主再热蒸汽管道进行有效吹扫。

2.7机组启动期间严格进行冷态冲洗和热态冲洗水质指标的控制。

2.8在机组每次启动时采用旁路系统“替代吹管”即:在汽轮机启动前，由锅炉加旁路运行，进行大流量清洗，将上次机组停机时和停机前所脱落的氧化皮吹除干净，避免固体颗粒对汽轮机的损伤。

2.9机组冷态启动过程中严格按照机组升温控制曲线控制蒸汽温度。锅炉点火后，在升压开始阶段，饱和温度＜100℃时，升温速率≯1.1℃/min；在汽轮机冲转阶段，饱和温度升高，升温速率≯1.5℃/min。

2.10机组热态启动过程中严格按照不同热状态的升温控制曲线控制蒸汽温度。在热态启动过程中，为防止受热面金属温度降低，锅炉的烟风系统要与其它系统同步启动。风烟系统启动后炉膛通风控制总风量为35%，在炉膛通风5min结束后立即点火，点火后要尽快投入燃料，控制屏过、高过、高再烟气温度不降，防止受热面金属温度降低。

五、其他控制措施（主设备选型）

锅炉：首先是降低蒸汽氧化的速率，应尽可能选用抗氧化性能好的管材。

汽轮机：鉴于固体颗粒侵蚀主要发生在高、中压缸第一级，故以抗侵蚀为出发点，第一级的喷嘴和动叶材料应选用耐侵蚀能力强的高温材料及采用防固体颗粒侵蚀的保护镀层或涂层，或采用表面硬化处理等措施；配置大容量旁路，减缓启动过程中过热器等蒸汽管道的温度变化，减少了氧化皮的剥离及固体颗粒的产生，同时把启动过程中产生的固体颗粒直接排入凝汽器

六、结束语

超超临界直流锅炉高温受热面氧化皮的生成和脱落是普遍存在的现象，如果没有对其给予足够的认识和重视，采取有效的预防措施，就会使锅炉炉管的母材在长期高温运行条件下发生裂缝，导致管材内部金属暴露在氧化环境下，容易使炉管发生爆裂，不仅影响锅炉设备的正常运行，而且也会造成一定的经济损失，甚至是人员伤亡，所以对超超临界直流锅炉氧化皮脱落的问题进行研究是十分必要的。

参考文献：

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