某电厂锅炉过热器氧化膜脱落分析

某电厂锅炉过热器氧化膜脱落分析

王彭玄

关键词：过热器；氧化膜剥落；预防措施

Abstract:ThispapermainlyanalysisthereasonofDatangHuangdaoPowerGenerationCo.,Ltd.boilersuperheater,spallingoftheoxidefilmformation,andputsforwardsomecorrespondingmeasuresforpreventionandcontrolofoxidefilmformationandshedding,reduceoxideskinsheddingcausedbyabuildupofsuperheatertubeunitnonstop.

KEYWORDS:superoxidescalespallation;preventivemeasures;

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1简介

目前大型电站锅炉爆管已成为影响机组稳定运行的主要因素，因此，研究锅炉爆管原因，有效防止爆管事故的发生就成为保证火电厂安全经济运行的关键问题。而随着火电机组单台机组容量和参数不断提高，由过热器氧化皮脱落引起爆管越来越频繁，所以研究氧化皮脱落堆积引起爆管尤为重要。

某电厂共有两台660MW发电机组。从2007年运行至今，过热器爆管已严重地影响了机组安全、稳定、连续运行。

2设备概况

某电厂三期#5、#6是我国首批自行设计制造的超临界600MW超临界机组，该机组锅炉由上海锅炉厂制造。机组为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、全钢架悬吊结构π型露天布置、固态排渣。该660MW锅炉的过热器系统采用辐射-对流方式布置。其中分隔屏过热器管子规格Φ41.3×5.59-6.35mm，材料材质为SA-213T12，SA-213T23，SA-213T91；后屏过热器共20片，每片由21跟管子组成，规格为Φ44.5×7.96，Φ47.6×7.96/7.14，Φ,54×7.06/9.98,材质分别为SA-213T23，T91，TP347H。末级过热器管子规格为Φ38.1×5.59-9.03，材质分别为SA-213T23，T91，TP347H。

3过热器爆管分析

2013年3月12日#5锅炉后屏过热器管排内圈T23爆管。2013年9月3日，同样是#5锅炉末级过热器管排最外圈T91爆管。两次爆管爆口形状虽不同，但都是由氧化皮堆积引起的过热爆管。前次爆口形状为喇叭口状，为氧化皮堆积引起的短期超温爆管；后次爆口周围存在很多的纵向开裂裂纹，为氧化皮堆积引起的长期超温爆管。换管过程中发现管内存在氧化皮，对后屏过热器管排弯管处进行γ射线探伤，发现部分管排弯管处有氧化皮堆积。

4氧化皮的形成

运行过程中，锅炉过热器管壁温度均在450℃以上。而在450-700℃的温度范围，最容易产生高温氧化。高温氧化就是高温水蒸汽与金属反应，生成铁氧化物的过程，反应式如下：

3Fe＋4H2O（g）＝Fe3O4＋4H2↑（1）

Fe＋2H2O（g）＝FeO2＋2H2（2）

Fe（Fe2+）＋O2（O2-）＝FeO（3）

水蒸汽氧化性的强弱取决于PH2/PH2O的比值（吉布斯自由能G的变化为：ΔG＝ΔG0-2RTln[PH2/PH2O]-2RTln[PO2]）。比值越大，氧化性越弱；比值越小，氧化性越强。在过热器的实际工作中，水蒸汽的流量大，流速高，水与金属反应产生的氢气即刻被水蒸汽带离，因此PH2/PH2O要远远低于平衡值，导致金属持续的氧化。

奥氏体不锈钢与高温蒸汽反应发生后，以表面为基点向两侧生成较薄氧化物。金属本体中的Fe2+向外扩散，O2-向内渗入，反应持续进行，逐渐形成以Fe3O4为主及少量α-Fe2O3的垢外层，由于不断失去铁，形成含铬较高、铬分布不均匀的铁铬尖晶石内层，内层为细颗粒结构。这就是氧化膜的形成过程。

氧化膜形成有下面几个影响因素：

1）温度

温度对氧化膜的形成有着至关重要的影响。在高温水蒸汽条件下，不锈钢的氧化加速。在600℃至650℃，不锈钢的氧化速度发生了突跃。这个突变点表明，不锈钢在高温下氧化过程中随着温度的增加产生了新相。此时不锈钢的各氧化层会迅速增厚，最外层的三氧化二铁形成连续致密氧化层，在短时间内使得不锈钢的氧化层迅速达到或超过氧化层剥落的临界厚度。所以温度是造成氧化膜增厚的主要原因。

2）金属材质

不同材质的氧化膜生长速度不同，主要与材料的膨胀系数和不同温度下材料中铬的扩散系数有关。

3）给水含氧

为了较为彻底的除去给水中的溶解氧，给水除了先在高压除氧器内除氧外，还在水中加入联氨N2H4进行辅助除氧，通常规定的直流锅炉的给水含氧量为5-7μg/L。因此，给水含氧对氧化膜的形成有影响，但是影响较小。

5氧化皮的脱落和聚积

氧化膜脱落必须同时具备的两个基本条件如下：①厚度值是否达到临界值（随管材、温降幅度和速度等的不同而不同）；②母材基体与氧化膜或氧化膜之间的应力（恒温生长应力或温降引起的热应力）是否达到临界值（与管材、氧化膜的特性、温降幅度和速度等有关）。这两个条件相互之间存在一定的影响，氧化层脱落的容许应力随氧化层厚度的增加而减小。

脱落的氧化膜形状分为粉末状和片状两种（见图1、图2），过热器管脱落的氧化膜形状一般为粉末状或小片状，再热器管一般为大片或长条状。粉末状氧化膜开始脱落的温度比较低，片状氧化膜开始脱落的温度比较高。有试验数据表明，氧化层一般是在降温过程中发生脱落，在350℃附近发生急剧脱落。氧化皮在升温过程中，在200～300℃时也会发生氧化皮脱落，但量比降温过程少。

氧化皮一般堆积在整个过热器管屏的180°最小半径处。实际上在机组运行过程中，再热器的氧化皮厚度和剥离程度都不小于过热器，但是爆管的几率却小于过热器，这是因为再热器的管径比过热器大很多，流通截面积几乎为过热器的2倍，因此堆积引起的爆管几率小。

6氧化膜脱落对机组的危害

氧化皮脱落会造成受热面超温爆管。堵塞达到1/2时就会引起管道过热，有爆管危险，需要进行割管处理。氧化皮的产生会影响金属的换热效果，影响机组运行的经济性。一般氧化皮堆积不超过1/3管径不会引起爆管，但是影响热交换并且加速氧化皮的产生，形成一种恶性循环。

氧化皮容易使主汽门卡涩，造成机组主汽门无法关闭，威胁机组的安全运行。并容易堵塞细小管道、疏水阀门等，使机组产生安全隐患。流动蒸汽带出的氧化皮对汽轮机产生固体颗粒侵蚀，造成汽轮机喷嘴和叶片侵蚀损坏并污染水汽品质，使汽水中的含铁量增加，造成锅炉受热面沉积速率增加。

7预防过热器氧化皮产生、脱落堆积的技术措施

1）严格控制运行温度，严禁机组超温运行。加强过热器入口蒸汽温度的监控，适当调低低温报警和预警温度的设定值，这样整体降低受热面金属管壁的温度，从而有效的降低蒸汽侧的氧化皮的生长速度。

2）加强受热面的热偏差监视和调整，防止受热面局部长期的超温运行。对于局部金属温度较高且难以通过运行调整到合理温度范围或者设计时温度较高的受热面管子，建议选择奥氏体耐热钢TP347HFG。

3）锅炉启动时投入启动旁路系统，避免过热器干烧造成管壁超温。

4）当氧化皮总体厚度较薄时应加快启停炉速度，促使这些氧化皮的原生外层今早以碎屑脱落下来，以便干蒸汽吹扫或者启炉时能顺利呗蒸汽吹走。然而当氧化皮总体厚度已经较厚的时候，应该尽可能降低启停炉速度，从而减少管内氧化皮剥落物的总量。

5）启停炉时用旁路进行蒸汽吹扫，可以有效清除大部分管内的氧化皮剥落物。

6）停机期间加强过热器系统疏水的排放，确保管内的氧化皮在停机期间处于干燥、松散状态，利于蒸汽吹扫。

7）如果更换过热器管排，建议适当增加内圈管子的弯曲半径，减小剥落氧化皮集中堆积对通流截面积的影响。

8常用氧化皮的检查方法

1）最正常、最直观的方法为割管检查，但是有一定的盲目性，工作量较大。

2）射线检测。目前射线检测是最常用的手段。射线检测能够最直接看到氧化皮的堆积情况。如图，管道内存在氧化皮。

3）涡流不锈钢内壁氧化皮检测仪。利用涡流探伤原理检测是否含有氧化皮。

4）如果检查时发现过热器、再热器U形弯处有较多的氧化皮沉积而无法通过蒸汽吹扫进行清理时，可采用割管处理。

参考文献

[1]银龙毕法森何洪利全国火电大机组（600MW级）竞赛第9界年会论文集汽轮机卷《超临界机组氧化皮的产生与防治》

[2]李志刚西安热工院：《水蒸汽高温氧化的研究》

[3]马剑民西安热工院：《锅炉受热面奥氏体不锈钢管内壁氧化膜剥落和爆管原因分析与预防措施》