高温氧化皮对机组运行的危害

不锈钢管内壁氧化皮脱落分析及防范措施

一、氧化皮结构及形貌

氧化皮由内、中、外3层结构和形貌不同的氧化物组成，内层仍为结构致密的富Cr氧化物，中间层为结构相对疏松、多孔的Fe3O4氧化物，内层与中间层的界面附近分布着较多的孔隙，最外层为结构致密但厚度不均的Fe2O3氧化物。

TP347H管内氧化皮

TP347H管内氧化皮

二、高温氧化皮对机组运行的危害

1、氧化皮剥离会造成受热面超温爆管。堵塞达到1 /2管径就会引起管道过热，有爆管危险.需要进行割管清理;当堵塞大于1/2管径，就

会使管道短期过热爆管。氧化皮的产生会影响金属换热效果，影响机

组运行的经济性。一般氧化皮堆积堵塞小于1 /3管径不会引起爆管，但影响热交换而且使氧化皮的产生速度加快，形成一种恶性循环

2、氧化皮的产生容易使主汽门卡涩，造成机组停机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、逆止门等，使系统产生潜在隐患。

3、流动蒸汽带出的氧化皮对汽轮机部件产生固体颗粒侵蚀，造成汽轮机喷嘴和叶片侵蚀损坏并污染水汽品质，使汽水中铁含量增加，造成锅炉受热而沉积速率增加。

三、不锈钢过热器和再热器管子内壁氧化皮的生长、剥落规律及影响氧化皮生长速度和剥落倾向的因素

1、氧化皮的生成

高温蒸汽管内壁生成氧化皮是个自然过程，高温过热器使用材料(SA-213TP347H)为奥氏体不锈钢，当其长时间处于高温高压的水蒸汽中时，管子内壁会氧化。由于Cr的活性较高，在氧化的初始阶段，管子内表面会生成很薄的Cr2O3氧化皮，这层氧化皮的形成阻止了管子内壁进一步氧化，但随着运行时间的增加，氧化皮以下的基体相应地发生Cr的贫化，同时在超温或温度、压力剧烈波动等情况的作用下，外层氧化物出现细微的裂纹，Fe向氧化皮外扩散，大大恶化了其高温下的抗氧化能力，氧化发展速度加快，抗氧化性能降低，氧化层也开始向双层、多层发展。

通常认为金属温度和氧化速度之间呈指数曲线关系，温度的小幅提高就会引起蒸汽氧化速度的大幅增加，经常性超温或运行中管壁金属温

度长期处于偏高的水平是导致这类管子内壁氧化皮在投运后仅3万h 左右就生长得很厚的最根本原因。原生氧化皮厚度与运行时间之间呈抛物线或立方曲线类关系[n]随着运行时间的延长，剥落前原生氧化皮的厚度总体上呈现持续增厚的趋势但其生长速度却越来越慢

2、管材的化学成分、金属晶粒度、表面状态等对不锈钢蒸汽侧氧化皮的生长速度影响很大，含Cr大于22% 的奥氏体不锈钢的抗蒸汽氧化性能远比18-8型奥氏体不锈钢好，而细晶18-8型奥氏体不锈钢的抗蒸汽氧化性能又要比粗晶18-8型奥氏体不锈钢好得多；管壁内表层有明显加工硬化现象的粗晶18-8型奥氏体不锈钢的抗蒸汽氧化性能也显著好于无表面加工硬化现象的同类钢种。

3、蒸汽侧氧化皮与基体金属间及氧化皮各层氧化物间由于热膨胀系数差异过大所产生的热应力是导致氧化皮产生开裂和剥落的最根本原因。氧化皮的剥落倾向大小主要取决于下列因素:

a.基体金属与其表而形成的氧化皮间及氧化皮各层间的热膨胀系数差值越大，则氧化皮剥落的倾向就越大; SA-213TP347H钢材的膨胀系数一般在(16^20)×10-6/℃，而氧化铁的膨胀系数一般在9.1 ×

10-6/℃。由于膨胀系数的差异，在多层氧化层达到一定厚度，加上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。

b.氧化皮外2层厚度越厚、Fe2O3含量越多、Fe304层内及其与内层氧化物界面上的孔洞尺寸越大、孔洞数量越多.则剥落倾向越大;

c.启停炉速度越快、喷水减温或机组负荷变化等所造成的温度波动越剧烈，则氧化皮各层氧化物内产生的拉/压应力和基体金属与氧化皮

界而及氧化皮各层间界面处产生的剪应力就越大，因而氧化皮外层剥落的临界厚度值也就越小。

4、锅炉给水溶解氧含量的升高有促进原生氧化皮表面Fe203层生长的迹象，故锅炉给水加氧处理有可能会促进原生氧化皮外2层氧化物的早期剥落。

四、氧化皮大面积剥落的原因

锅炉不锈钢过热器和再热器管在停炉时发生大面积氧化皮剥落的原因如下:

a.停炉前较长时问的连续满负荷运行导致氧化皮在剥落前生长得过厚是导致事故发生的内因。

b.过快的停炉冷却速度引起的过大热应力是导致大量较厚的氧化皮同时发生剥落的外因。

c.以往停炉速度相对较慢和连续满负荷运行时间过长也是导致氧化皮大面积剥落的重要原因。

因为停炉速度慢时氧化皮剥落的临界厚度值就相对较大，致使已经较厚的氧化皮因厚度米超过或达到以往慢速停炉条件下的剥落临界值而不发生剥落、如此日积月累地持续生长，导致大部分管子内壁的氧化皮越长越厚，加之后继快速启停炉条件下的临界厚度值变小，致使大量氧化皮厚度都达到或超过了快速启停炉条件下的临界厚度值，尤其是快速停炉前连续长时间满负荷运行更促进了氧化皮的生长。五、氧化皮聚积原因

氧化皮一般堆积在整个过热器管屏的180°最小半径处，有利于氧化

皮的阻塞和堆积。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并不比过热器差，但爆管的机会要比过热器小得多，这是因为再热器管的管径比过热器管大很多，二者截面积相差相近2倍，因堆积过多引起超温的机会也就小了很多。

首先剥离的氧化皮在U型弯的底部停滞，由于机组启动时的蒸汽流量较小，无法将其带走。脱落的氧化皮不断的积聚，数量较多时，即便机组启动后有了较大的蒸汽流量，也很难对其产生扰动并带走，被堵塞的管子壁温会异常升高，严重时会造成短期超温爆管。

锅炉停运冷却过程中，部分蒸汽凝结成水后积于过热器U型管下部，淹没了剥落的氧化皮，随着U型管底部积水逐渐的自然蒸发，氧化皮一层紧贴一层，聚积成核状，堵死了高温过热器流通截面。

六、预防高温过热器氧化皮产生、脱落、聚积的运行技术措施

1、严格控制受热面蒸汽和金属温度，严禁锅炉超温运行。加强过热器和再热器出口蒸汽温度的监测和控制，并适当调低超温报警和预警温度设定值，以降低管壁金属的整体温度水平，从而有效降低蒸汽侧氧化皮的总体生长速度。

2、加强受热面的热偏差监视和调整，防止受热面局部长期超温运行。对于局部实际金属温度较高且难以通过运行调整降到合理温度范围

或设计温度较高(如超临界、超超临界机组)的受热面管，建议选用细晶奥氏体耐热钢TP347HFG，或者选用管材内壁经过喷丸处理后，质量检验合格的粗晶粒TP347H材料。