超超临界锅炉高温氧化皮的问题探讨

超超临界锅炉高温氧化皮的问题探讨
摘要：随着机组容量的增加，锅炉的运行参数也相应提高，在锅炉的过热器和再热器管道内逐渐
生成氧化皮，氧化皮的脱落容易造成过热器、再热器爆管，汽轮机调门卡涩等情况，因此研究高温氧化皮的
生成和剥落问题对机组的安全运行显得尤为重要。

关键词：氧化皮；剥落；温度；
引言：
在目前具有较高参数的超超临界机组的运行过程中，在锅炉受热面很容易产生腐蚀物或
氧化铁，腐蚀物和氧化铁在受热面内不断的积累，如果发生脱落情况，就容易造成锅炉过热器、再热器内部堵塞，受热面爆管，若进入到汽轮机侧，容易造成汽轮机调门卡涩或叶片损坏。

影响氧化皮生成的因素主要有6个:温度的高低、时间的长短、管材的含铬量的高低、
材料的组织均匀性、晶粒粗细、水质控制、冷作硬化处理状况。

1、氧化皮的生成机理
研究发现，高温下的水蒸气会产生游离氧，而铁在高温下会被氧化，行成致密的氧化膜，形成氧化膜后氧化过程就会减弱，金属得到了良好的保护。

如果氧化过程不牢固，那么生成
的氧化膜不断剥落，氧化过程会不断的继续下去。

当蒸汽温度在570℃以下时，生成的氧化
膜主要是三氧化二铁和四氧化三铁，上述氧化物相对比较致密，可以保护受热面进一步的氧化。

当蒸汽温度超过570℃以上时，氧化膜由一氧化铁、三氧化二铁和四氧化三铁组成，其
中氧化皮的主要由一氧化铁组成，氧化皮是不致密的，因此破坏了整个氧化过程的稳定性，
会使得钢材的氧化过程持续进行。

2、氧化皮的剥落及影响
氧化皮的剥落有两个条件：一是氧化皮在不断形成过程中厚度也会不断的增加，当厚度
超过某一厚度时就会发生剥落现象，不同材质的金属氧化物的剥落厚度也不一样；二是金属
材料与氧化物层之间的应力值到达一定临界时，会出现氧化皮的剥落现象。

2.1 影响氧化皮剥落的因素：
1）线膨胀系数。

金属与金属氧化物的膨胀系数不同，在温度变化时，它们之间就会发
生膨胀不均，产生裂纹。

2）氧化皮越厚，其脱落所需的应力就越小。

管壁与氧化物的温度差越大，应力越大。

3）温度水平和变化率。

高温下生成氧化皮，在稳态时，金属温度高于氧化物温度时，
其内部产生热应力；在变工况，温度变化时，其内部产生附加应力。

2.2 氧化皮剥落的危害
1）蒸汽侧或者烟气侧的强制冷却产生氧化皮的大量脱落堆积，造成受热面局部堵塞，
堵塞处容易出现超温爆管问题。

2）氧化皮剥落后，伴随蒸汽的流动，可能会对汽轮机的喷嘴及叶片造成不断的冲击。

3）氧化皮剥落后沉积在主汽门附近，机组正常运行过程中无法发现此类问题，若机组
出现问题，主汽门无法正常关闭儿造成汽轮机超速等严重故障。

4）氧化皮进入到汽水系统后，会造成汽水品质的下降。

3、机组情况
锡电公司燃煤汽轮发电机组锅炉为东方锅炉股份有限公司生产制造的高效超超临界参数、前后墙对冲燃烧、一次中间再热、单炉膛平衡通风、∏型布置的变压运行直流炉，尾部烟道
布置脱硝装置和空气预热器，锅炉型号为DG2127/29.3-∏12。

锅炉设计压力29.3MPa，最大
连续蒸发量为2127.40t/h，额定蒸发量2065t/h，额定过热蒸汽温度605℃，额定再热蒸汽
温度623℃。

本公司设计煤种为东二矿褐煤：
4、氧化皮的防治措施
4.1设计措施
1）从上表的设计煤种煤质分析可以看出，我厂主要燃烧的煤种为高挥发分、低热值的
褐煤，同时水分和灰分偏高，灰熔点也偏低。

根据设计煤种，东方锅炉厂提供的锅炉，在设
计过程中炉膛充分考虑选用大炉膛，降低容积热负荷和断面热负荷，降低炉膛出口温度。

2）为了减少蒸汽的热偏差，在屏过入口集箱、高过入口集箱、高再入口集箱设置不同
尺寸的节流孔圈，加强蒸汽扰动，减少汽温偏差。

3）在屏式过热器与高温过热器之间，低温再热器与高温再热器之间均设计有蒸汽管道
的交差，用于减少由于流量偏差引起的热偏差。

4）根据不同位置受热面设计温度，选用不同的管材，保证管材强度的同时具备一定的
抗氧化裕度。

5）受热面壁温测点安装位置、数量、安装质量也要严格把关。

在安装点处严格除锈及
杂物，热接点要牢固地压接或熔接在已除锈的壁面上，防止松动或脱落。

根据测点温度的范
围选择合适的热电偶型式，安装前逐一对热电偶进行校验。

6）设计有全炉膛吹灰系统，防止积灰、结渣影响锅炉受热面的传热效果，造成蒸汽热
偏差。

7）机组建设初期，在我厂排气装置出口（-8m位置），安装了磁性格栅，利用磁栅在
汽水循环过程中吸附各类金属氧化物，从而减少氧化皮等细小颗粒在各受热面的沉积，有效
的遏制氧化皮造成的汽水系统污染。

利用机组每次停机时机，对排气装置磁栅进行清理，确
保其可靠使用。

4.2 运行措施
1）冷态通风进行一次风管调平试验，组织冷态空气动力场试验。

预设燃烧器首次投运时，通过对各二次风门调整，可以形成较强的卷吸作用，可将外部大量高温烟气卷吸进入煤
粉燃烧区域，中心火炬无不良偏斜和扩散，这样有利于燃烧器出口气流与煤粉后期的混合，
使煤粉充分燃尽，燃烧器出口旋转较强烈，不仅有轴向速度，还有切向速度，气流扰动强烈，可以保证燃烧后期煤粉充分燃尽。

2）加强给水水质监督，调整合适的给水溶氧。

机组启动过程中，要合理的控制水温和
水流，并对锅炉进行冷态、热态冲洗。

冷态清洗又分为开式清洗和循环清洗两个阶段，冷态
冲洗要求储水罐底部管道出水水质Fe＜500μg/L，冷态开式冲洗结束后，投入精处理前置过
滤器，转为冷态循环清洗。

冷态循环清洗要求省煤器出口水质Fe＜100μg/L，冷态冲洗结束后，锅炉点火，提高温度后进行热态清洗。

当省煤器进口给水全铁≤50μg/L时，热态冲洗
合格，锅炉开始升温升压至汽轮机冲转参数。

给水溶解氧正常控制在10μg/L左右是比较适宜的。

蒸汽中的溶解氧和水中的溶解氧对金属材质中的铬有腐蚀作用，在高温高压条件下过量氧会造成铬的析出，同时引起给水和蒸汽的氢导升高。

3）机组的大修和有条件小修过程中，要对氧化皮易脱落区域、易堵区域进行割管，取垢样进行分析，查明氧化皮的严重程度和生成趋势；若不具备条件，可对各重点区域进行射线检查，确认各弯头部位是否存在氧化皮的沉积物，及时发现问题，及时更换处理，可以有效的避免后期机组爆管问题。

4）机组启动过程中，严格控制锅炉的升温、升压速率，使各受热面工质温度升温速率≤2℃/min。

加强对各受热面金属温度及工质温度的监视，仔细监视所有再热器和过热器金属管壁温度，防止其超限。

并且，当机组负荷于20%额定负荷时，应避免使用减温水。

5）机组正常运行过程中，实时监督并及时调整锅炉系统运行温度。

监视好各受热面管壁温度超限的时间和次数，做好运行优化，尽量避免两侧温度偏差，防止出现超温情况。

针对各壁温测点，重点对个别高温点做好记录，在机组检修中安排消缺时重点关注。

6）机组停运后，通过锅炉停炉时间的长短、受压件是否在停炉期间需要维修等条件确认具体的保养方法。

一般而言，锅炉作为备用，电网一有要求就应立即启动的锅炉可采用湿法保护；而锅炉处于计划停炉，重新启动前有足够的准备时间可采用干法保护。

选择合适的停炉保养方法，可以有效地减轻各受热面弯头的停运腐蚀。

7）随着机组运行时间的增加，受热面内壁氧化皮生长和脱落是不可避免的，如果通过催化柠檬酸或其它溶液对各受热面进行化学清洗，可以较好的清除氧化皮，可以避免爆管事故的发生，确保机组的安全运行。

8）合理的制定机组吹灰方案，减少受热面管的积灰、结焦，提高受热面的换热效率，有利于保证蒸汽品质，对降低锅炉氮氧化物排放、延长锅炉受热面管道的使用寿命有一定的作用。

但是，蒸汽吹灰会造成受热面的磨损，严重时会造成锅炉四管泄漏。

在机组停运后，检修人员需要对受热面进行及时检查，与运行人员共同完善吹灰方式、方法。

总体来说，受热面尚的氧化皮的形成是不可避免的，通过运行和检修的综合管理、认真细致的分析数据，可以有效的尽早发现氧化皮堆积，减缓受热面内氧化皮的剥落速度，以免发生更严重的锅炉、汽轮机事故，保证机组安全稳定运行。

参考文献
[1]朱宝田．固体颗粒对汽轮机通流部分的冲蚀与防治对策.中国电力.2003
[2]徐远鹏.受热面高温氧化皮成因分析.2002
作者简介：
张品一，(1989-)，男，工程师，学士学位，从事火电厂运行管理工作。