超/超超临界锅炉氧化皮脱落与防治

超 / 超超 临界锅炉氧化皮脱落与防治

姚小旺

陕西能源电力运营有限公司商洛项目部 陕西省商洛市 726007

摘要：目前国内大量超/超超临界火电机组在运行，随着锅炉设计运行参数的逐步升高，锅炉受热面管道氧化皮脱落导致的锅炉爆管机组非停事故越来越多。由于锅炉受热面管道氧化皮脱落严重威胁锅炉安全经济运行，锅炉爆管产生的经济损失很大，因此，如何减缓超临界机组氧化皮脱落速度，进一步提高锅炉的安全性是目前亟待解决的关键性技术难点。本文对锅炉受热面管道氧化皮的生成、脱落的原因进行分析，并结合工作实际如何减缓氧化皮脱落提供一些建议。

关键词：超临界锅炉 氧化皮脱落 防治

某发电有限责任公司三期2×660MW超临界机组锅炉系东方锅炉（集团）股份有限公司制造的660MW超临界参数燃煤锅炉，锅炉为超临界参数变压直流炉、一次再热、平衡通风、半露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉，型号DG2100/25.4-II2。锅炉屏式过热器管屏由外径为Φ45的管子绕成，屏式过热器炉内受热面管子采用SA-213TP347H、SA-213T91和SA-213T23材料。高温过热器管子规格Φ45（最外圈为Φ50.8），炉内受热面管子的材质采用SA-213T91和SA-213TP347H。高温再热器管子规格Φ50.8，炉内受热面管子采用SA-213TP347H、SA-213T91和SA-213T23材料。

两台机组于2008年年底双投，2014年4月10日，№6炉发生了高温过热器管道爆裂引起的非停事件。通过分析检查，确认是由于管道底部弯管部位堆积大量脱落的氧化皮阻塞通道，管道长期过热导致爆管。

针对存在的问题，对屏式过热器、高温过热器和高温再热器所有底部弯管进行了100%的磁迹氧化皮检测，结果表明屏式过热器、高温再热器受热面管道未发现氧化皮脱落堆积现象，而高温过热器大量底部弯管部位出现氧化皮脱落堆积现象，后续将堆积有氧化皮的弯管全部割管清理。检测共计181根高温过热器底部弯管出现氧化皮脱落堆积。

此类事件已在国内多次发生，锅炉受热面管道氧化皮脱落堵塞管道导致过热爆管已成为超/超超临界锅炉安全运行的重大隐患，必须要采取有效措施进行防治。

一、氧化皮脱落的机理

（一）氧化皮的生成

由于蒸汽在500～700℃时是比氧气更强的氧化剂，锅炉受热面管道在此温度区间运行期间，水蒸汽和管道内壁极易发生电化学反应。所以从热力学角度来讲，锅炉高温受热面管子内壁产生氧化膜是必然的。当温度在570℃以下其氧化膜的结构由钢表面起向外依次为Fe₃O₄、Fe₂O₃或Fe₂O₃、Fe₃O₄，Fe₃O₄或Fe₂O₃都较致密，尤其是Fe₃O₄可以保护钢材以免其进一步氧化，但在570℃以上的高温下，氧化膜由Fe₃O₄、Fe₂O₃、FeO三层组成。与金属机体相连的FeO是不致密的，其结构疏松、晶格缺陷多。

2. 氧化皮的脱落

氧化层剥离脱落有两个主要条件：一是多层氧化层达到一定厚度（不锈钢0.1mm、铬钼钢0.2-0.5mm）， 二是温度变化频繁、幅度大、变化率高。

超/超超临界锅炉高温过热器管和高温再热器管（一般为奥氏体不锈钢）钢材的热胀系数一般在16-20×10^-6 /℃， 而氧化皮的热胀系数一般在9.1×10^-6 /℃，由于热胀系数的差异，两者热胀冷缩幅度不一致，在氧化皮层达到一定厚度后，在温度发生变化尤其是剧烈或反复变化，氧化皮很容易从金属本体剥离脱落。铬钼钢管的氧化皮内外层同时剥离，剥离厚度达0.2mm，而不锈钢只剥离0.05mm的外层。

（三）氧化皮脱落的危害

1、氧化皮脱落后堵塞锅炉受热面管道，管道等不到冷却，受热面管道超温爆管，最终导致机组强迫停机。

2、长期的氧化皮脱落，使锅炉受热面管道管壁变薄，强度变差，直至爆管。

3、锅炉受热面管道内剥落下来的氧化皮，是坚硬的固体颗粒，严重损伤汽轮机通流部分高/中压级的喷嘴﹑动叶片及主汽阀﹑旁路阀等，导致汽轮机通流部分效率降低，损伤严重时甚至必须更换叶片。

4、机组的检修周期缩短，维护费用上升。

5、 一些机组为了减缓氧化皮剥落，采用降参数运行，牺牲了机组的经济性和效率。

二、防止氧化皮脱落的措施

为贯彻“安全生产，预防为主”的方针，减少超/超超临界机组锅炉管蒸汽侧氧化皮脱落引起的超温、爆管、机组“非停”、汽轮机汽室部件严重吹损等事故，提高发电厂安全运行及设备管理水平，可以采取下列措施，以减轻氧化皮的产生和防止脱落。

1、锅炉启动过程中，锅炉水质必须合格，上水时间和上水温度必须严格执行锅炉使用说明书相关条款。

2、锅炉冷态启动过程中严格按照规程进行锅炉冷态清洗和热态清洗。冷态清洗要求水质达标。

4、启动过程中严格控制锅炉升温升压速度。控制受热面各管屏相邻间温差不大于50℃。机组正常运行中，锅炉主、再热汽温两侧蒸汽温度偏差必须保持小于10℃。

5、启动过程中主汽温度的调节优先采用锅炉燃料量和风量并配合给水量和汽机旁路系统来进行调节，尽量不使用减温水。

6、启动过程中加强受热面金属管壁温度的监视，控制金属壁温均匀上升；发现管壁温度异常时，稳定燃烧工况运行，停止升温升压。

7、机组启动和并网带负荷过程中受热面金属管壁温度出现报警，通过稳定燃烧工况运行无法消除异常时，降低燃料量或机组负荷消除金属管壁温度报警；若还是无法消除报警且存在上升趋势时，申请停炉对超温管子进行割管检查处理。

8、严禁锅炉超负荷运行。

9、机组停运过程中严格控制降负荷速率和主、再热汽温速率。

10、机组停运后按照停机时间对锅炉受热面进行有效保护，严禁强制快速冷却。在高过出口蒸汽温降率≥0.1℃/min时，锅炉严禁通风。

11、锅炉机组跳闸和正常停运后，及时检查关闭各风烟系统看火孔和相关挡板，避免锅炉的急剧冷却。

12、在每次机组启动时，通过汽机旁路系统阀门的大幅度开关操作和锅炉过热器PCV的间断开关操作以改变受热面管内蒸汽流量和流速，对管子进行变流量、变压力冲洗，以达到带走部分氧化皮的目的。

13、运行人员如实确切记录锅炉膨胀及管壁超温情况，建立启动及正常运行锅炉膨胀及管壁温度台账，详细掌控炉内受热面管子超温部位，以便对超温管子能够详细准确检查。

14、热控维护人员要确保壁温测点完整可靠投运，每次机组大小修期间对屏过、高温过热器、高温再热器所有壁温测点进行全面检查检修。

15、每次大小修对屏过、高温过热器、高温再热器弯头部位进行射线或超声检测，必要情况时进行割管，检查内部氧化皮脱落堆积情况，并进行清理，防止管道堵塞引起管子超温。

16、加强受热面管材的入库验收，新管材到厂入库前必须经金属专业人员进行检验验收，不合格管材严禁购置入库；现场检修时对领用管材要经金属专业人员检验合格后方可安装。

17、在锅炉设计制造时，采用SA-213TP347HFG管材，尽量不用SA-213TP347H管材，提高管道运行期间抗蒸汽氧化性能。

本文通过对超/超超临界锅炉受热面管道氧化皮生成、脱落原因进行阐述性分析，并对防止氧化皮脱落提出了相应的防治措施，从而可以在一定程度上避免氧化皮脱落对锅炉或机组造成危害。在实际工作中，工程技术人员应当加强技术创新与实践，不断总结经验，指导生产工作，最大程度减少锅炉氧化皮脱落造成的危害，提高锅炉的经济性和安全可靠性。

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