超（超)臨界參數(shù)鍋爐高溫受熱面氧化皮的預(yù)防與綜合治理

1氧化皮形成機(jī)理及危害

1.1受熱面生成氧化皮機(jī)理

鍋爐受熱面的氧化膜主要是受熱面管材中的鐵元素和蒸汽在高溫、高壓下反應(yīng)產(chǎn)生,主要包含F(xiàn)e304、Fe203、Fe0混合的鐵基氧化物。氧化膜分內(nèi)外兩層,內(nèi)層是基體鐵元素與蒸汽直接反應(yīng)生成的黑色Fe0及氧元素內(nèi)遷與Fe、Cr、Ni生成的少量氧化物,外層或者叫延伸層是內(nèi)層的Fe0繼續(xù)與蒸氣反應(yīng)生成的黑灰色Fe304,隨著機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行,Fe304又和蒸汽中的溶解氧發(fā)生反應(yīng),生成紅色的Fe203。隨著氧化的逐步深入,氧化層開始從原基體界面向外發(fā)展,形成質(zhì)地比較致密的Fe304,最后在最外層形成一層較薄的Fe203,這就是比較典型的雙層氧化皮模型,即內(nèi)層和外層。其中,Fe304、Fe203及Fe、Cr、Ni基氧化物結(jié)構(gòu)致密,性質(zhì)穩(wěn)定,不易脫落,能形成保護(hù)層,對(duì)金屬管材起到很好的保護(hù)作用,但Fe0結(jié)構(gòu)疏松,晶格易產(chǎn)生缺陷,機(jī)組運(yùn)行過程中極易發(fā)生脫落,破壞氧化層整體穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明,在560～570℃及以下溫度時(shí),內(nèi)層氧化膜主要以Fe304和Fe203為主,當(dāng)溫度大于570℃時(shí)運(yùn)行生成的氧化物則含有較多的Fe0。

1.2影響氧化皮生長的因素

鍋爐受熱面所處環(huán)境惡劣,且工況復(fù)雜多變。高溫、高壓環(huán)境中,金屬氧化皮的形成以及增長受到很多因素的影響,如溫度、時(shí)間、合金元素、熱偏差變化、金屬處理工藝、受熱面尺寸及形狀等。另外,因制作加工工藝不同及合金元素的差異,也會(huì)對(duì)管材抗氧化性能造成很大的影響,因此要根據(jù)不同需求及設(shè)計(jì)冗余度來選擇合適的管材,這對(duì)氧化皮的控制和減緩生成有著非常重要的作用。

1.3氧化皮的脫落與危害

根據(jù)氧化皮的生成機(jī)理可知,溫度是其形成與脫落的最大影響因素,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際對(duì)屏式過熱器及高溫過熱器進(jìn)行檢查,較少在底部彎頭處發(fā)現(xiàn)有氧化皮堆積,其管內(nèi)蒸汽溫度分別為480～520℃、520:555～。而高溫再熱器的個(gè)別管屏則經(jīng)常超過600℃。因此控制溫度就是控制氧化皮的生成。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際檢查發(fā)現(xiàn),壓力為24MPa左右的屏式及高溫過熱器管內(nèi)氧化皮要少于壓力為4MPa左右的高溫再熱器,相比之下,低壓力的再熱器管較容易產(chǎn)生氧化皮。因此壓力也是影響氧化皮生成的重要因素。

影響氧化層剝離的兩個(gè)主要條件:（1）氧化皮達(dá)到臨界厚度（實(shí)驗(yàn)表明不銹鋼0.1mm左右、鉻鉬鋼0.2～0.5mm左右）:（2）溫度變化,如變化頻繁、變化幅度大、變化速率快。

不同材料的熱膨脹系數(shù)不同,系數(shù)因溫度變化而隨之變化,因而管材與氧化膜之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力,熱膨脹系數(shù)差值越

大,應(yīng)力越大,氧化膜越容易脫落。另外氧化層達(dá)到臨界厚度后,當(dāng)受熱面壁溫發(fā)生變化,特別是急劇變化或反復(fù)變化時(shí),氧化皮極易從金屬基體剝離脫落,一般鉻鉬鋼的氧化皮是內(nèi)外層同時(shí)脫落,厚度0.2mm,但不銹鋼只有0.05mm的氧化皮外層脫落。氧化皮脫落后會(huì)隨蒸汽流動(dòng)而進(jìn)入熱力汽水系統(tǒng)。其中部分被帶入汽輪機(jī),損傷葉片,或造成主氣門卡塞:部分在某些情況下會(huì)在垂直管屏的U形彎頭底部沉積（彎頭變徑,管壁減薄,內(nèi)徑變?。?阻礙蒸汽流動(dòng),引起爐管過熱,爆管泄漏。

2氧化皮的預(yù)防與綜合治理

通過上述分析,在了解氧化皮的形成及剝落機(jī)理后,就可對(duì)癥下藥:（1）控制氧化皮的生成及成長速度:（2）控制氧化皮的剝落與堆積:（3）停爐后的氧化皮檢測與治理。

2.1減緩氧化皮的生成及成長速度

氧化皮的生成主要受溫度、壓力和材質(zhì)影響。在不同的需求下,選擇合適的管材,對(duì)于控制和減緩氧化皮的生成有非常重要的作用。在鍋爐運(yùn)行過程中,還要通過運(yùn)行調(diào)整來減少金屬熱偏差,控制蒸汽壓力和溫度,減緩氧化皮生成。

受熱面材質(zhì)升級(jí),采用TP347HFG（細(xì)晶）、super304H、HR3C等高合金含量的新型耐熱鋼或內(nèi)部噴丸TP347H。

在鍋爐機(jī)組運(yùn)行過程中,嚴(yán)格控制鍋爐主、再熱汽溫度,防止蒸汽超溫:做好燃燒調(diào)整,避免爐膛煙溫偏差引起的高溫受熱面壁溫偏差或超溫,發(fā)現(xiàn)個(gè)別管超溫,要加強(qiáng)運(yùn)行調(diào)整,做好分析記錄,甚至適當(dāng)降低蒸汽溫度,減緩氧化皮生成速率:做好燃燒及一、二次風(fēng)配風(fēng)風(fēng)量及風(fēng)溫調(diào)整工作,根據(jù)受熱面管壁溫度選擇性進(jìn)行受熱面吹灰工作,減少燃燒波動(dòng)對(duì)蒸汽溫度的影響,防治受熱面溫度產(chǎn)生偏差:優(yōu)化DCs控制方式,在滿足調(diào)度要求的情況下降低AGC負(fù)荷變化率。另外汽水品質(zhì)在運(yùn)行過程中也需加強(qiáng)控制。

在機(jī)組啟動(dòng)過程中,要加強(qiáng)入爐燃料控制,嚴(yán)格控制機(jī)組的啟動(dòng)速度和蒸汽溫度變化速率,溫度變化1.5℃/min,短時(shí)間不允許超過2.5℃/min,避免汽溫瞬時(shí)劇烈波動(dòng):利用大旁路或高、低旁路系統(tǒng)抽吸,變負(fù)荷蓄壓沖管擾動(dòng),并監(jiān)視凝結(jié)水鐵含量:鍋爐升壓,系統(tǒng)壓力溫度的匹配度及蒸汽流量的同步增加:啟動(dòng)過程中盡可能提高給水溫度,降低汽水分離器水位,調(diào)整蒸汽排放量以及投用低位制粉系統(tǒng)等,保證啟動(dòng)蒸汽流量穩(wěn)定變化:沖轉(zhuǎn)前盡量不投減溫水,一級(jí)減溫水在主蒸汽流量小于400t/h時(shí)不得投用,防止管內(nèi)水塞,氧化皮脫落,若投用減溫水需保證減溫后蒸汽過熱度大于30℃:另需適當(dāng)降低高旁后溫度,以減少微量噴水的投用量。

機(jī)組滑停,控制參數(shù)不能過低:煤倉燒空,防治煤量大幅度變化而引起的爐膛熱負(fù)荷波動(dòng):停爐后爐膛悶爐及爐膛吹掃工作,要嚴(yán)格關(guān)注管壁溫度下降速度,防止出現(xiàn)爐膛壁溫劇烈變化:停爐后要檢查減溫水閥門的關(guān)閉情況,并聽漏,必要時(shí)關(guān)閉各級(jí)減溫水前手動(dòng)隔離閥進(jìn)行隔絕:停爐后爐底水封需繼續(xù)保持,待二次風(fēng)溫與環(huán)境溫差<80℃后,參照各受熱面壁溫方可考慮破壞爐底水封:做好停爐保養(yǎng)工作,無特殊要求,停爐后可采用熱爐帶壓放水、余熱烘干法進(jìn)行爐膛保養(yǎng)。另外運(yùn)檢部門之間要加強(qiáng)溝通交流,將檢修工作信息及時(shí)反饋給運(yùn)行部門,以便及時(shí)做出調(diào)整。

2.2控制氧化皮的剝落

氧化皮剝落的主要因素:(1）氧化皮與基體材料熱膨脹系數(shù)的差異,導(dǎo)致層間產(chǎn)生并承受的較大應(yīng)力,另外機(jī)組負(fù)荷變化,管壁恒定溫度變化后,形成的溫度變化而引起的應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋并剝落。(2）運(yùn)行參數(shù)。首先是氧化皮厚度,當(dāng)管內(nèi)氧化皮變厚時(shí),剝落所需的彈性應(yīng)變會(huì)變小,當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界值后,就可能剝離掉落。然后是溫度變化影響,短時(shí)間內(nèi)溫度大范圍頻繁變化,也會(huì)引起氧化皮剝落。(3）氧化皮承受應(yīng)力受氧化皮結(jié)構(gòu)影響。(4）基體幾何形狀對(duì)氧化皮的剝落也存在明顯影響,如小口管徑、內(nèi)壁不圓、內(nèi)壁宏觀缺陷等。

2.3氧化皮檢測及治理

從管理上將氧化皮檢測列入"四管"防磨防爆檢查體系,逢停必查。建議運(yùn)行大于3000h的機(jī)組,合理利用停爐機(jī)會(huì),安排高溫受熱面檢測工作。

停爐前策劃,根據(jù)結(jié)構(gòu)、材料分布等,劃分重點(diǎn)普查范圍:做好受熱面管定期金屬化學(xué)監(jiān)督工作:利用大旁路或高、低壓旁路進(jìn)行蒸汽抽吸:針對(duì)鍋爐受熱面管材抗高溫氧化性能設(shè)計(jì)冗余度不足的情況,可以適當(dāng)降低機(jī)組運(yùn)行參數(shù),但受熱面管升級(jí),優(yōu)化結(jié)構(gòu),才是徹底解決問題的根本:受熱面酸洗。檢測方法:割管內(nèi)窺鏡檢測:射線檢測:理化金相檢測:磁性檢測:磁性＋低頻渦流檢測。

3結(jié)語

電廠鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行關(guān)乎國計(jì)民生,氧化皮防控問題已成為各科研單位及發(fā)電企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問題,鍋爐受熱面氧化皮的防治及檢測是一項(xiàng)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程,希望本文能夠起到拋磚引玉的作用,與科研人員及運(yùn)行檢修的同行進(jìn)行粗淺的探討、交流,為鍋爐受熱面氧化皮的治理研究多做貢獻(xiàn)。