超临界锅炉过热器氧化皮形成和剥落机理分析及预防措施

超临界锅炉过热器氧化皮形成和剥落机理分析及预防措施

[摘要]介绍了XX电厂锅炉末级过热器因氧化皮引起的爆管情况。分析了超临界锅炉氧化皮的形成和剥离机理，并从锅炉设备运行、改造及管理等方面，提出了控制氧化皮形成和剥落的措施。通过采取这些措施，有效地控制了氧化皮的产生。

[关键词]过热器；氧化皮；壁温；堵塞；爆管

1锅炉过热器系统

XX电厂8号锅炉为上海锅炉厂引进美国阿尔斯通技术生产的单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧、平衡通风、全钢架悬吊结构、固态排渣超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，型号为SG-1913/25.4-M95，蒸汽压力25.4MPa/4.19MPa，蒸汽温度571/569。过热和再热蒸汽调温除摆动燃烧器喷嘴调节外，主要靠喷水和调节煤水比。

2爆管情况

XXXX年X月XX日，XX电厂8号炉点火，至21日0：30，机组带负荷至600MW。6月221：50，锅炉再热汽温异常升高，给水流量突增至100t/h，现场检查68m处异音较大，确认为受热面泄漏。停炉后检查发现，末级过热器有两处爆口：第1处在右侧第14屏第9根管，爆口呈菱形，长度60mm，宽度32mm，端面光滑。爆口两边呈撕薄撕裂状，从爆口特征分析为短期过热爆口。第2处爆口在右侧第24屏第11根管，未全部爆开，长度20mm，爆口附近有众多平行的轴向裂纹，从爆口特征分析为长期过热爆口。在该根管下弯头处割管取出约90g 的氧化皮，其厚度0.14mm（如图1）。两处爆口全部在标高70m位置。爆管管子格：d38.1mm7.96mm，材质SA213T91。

发生爆管后，XX电厂采取源透视、胀粗测量、割管等措施扩大检查，共发现吹损减薄管35根，胀粗直径大于d38.5mm的管子6根，内部沉积氧化皮管子3根，对此全部进行了处理。爆管原因初步分析为：上海锅炉厂超临界锅炉末级过热器管屏内圈直管和下弯头部位设计使用了抗高温氧化性能比T91等级低的T23材料，在长期高温作用下，T23管内壁生成氧化皮，并不断增厚。在锅炉起、停以及负荷突变的情况下，由于母材与氧化皮的线膨胀系数不一致，温度应力差等致使氧化皮拉裂而发生剥落，顺蒸汽流至出口端下部弯头处堆积，使管路流通截面减小，进而发生过热而爆管。

1氧化皮形成剥落分析

1.1氧化皮的形成

钢表面氧化皮的生成是金属在高温水汽中发生氧化的结果。在570度以下，

生成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4组成，Fe2O3和Fe3O4都比较致密（尤其是Fe3O4），因而可以保护钢材以免其进一步氧化。（如图2）

当超过570度时，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4、FeO3层组成（FeO在最内层），主要是由FeO组成，因FeO致密性差，破坏了整个氧化膜的稳定性。（如图3）

事实上，当温度超过450度时的作用，生成的Fe3O4不能形成致密的保护膜，使水蒸气和铁不断发生反应。当汽水温度达到570以上，反应生成物为FeO，且反应速度更快，此时，金属的抗氧化能力大大降低。

1.2影响氧化皮生成的因素

氧化皮形成与温度、时间、氧含量、蒸汽压力和流速、钢材成分、氧化皮成分等有关。通常认为：温度愈高，时间愈长，介质中氧的分压愈高，流速愈快，氧化皮生成速度愈快；钢中加入Cr、Al、Si等元素，生成的氧化膜致密而牢固，可以使钢材的抗氧化性提高。

多项研究表明：金属表面的氧化膜并非由水汽中的溶解氧和铁反应形成的，而是由水汽本身的氧分子氧化表面的铁所形成的。在570度以上，水分子会分解为氢氧原子结构，大量的氧原子充分满足了氧化反应的需要。而570度也正是形成不致密的FeO的关键温度值，所以570度应该成为制定运行参数的重要参考。

1.3氧化皮的剥落

氧化皮的剥落有2个主要条件：（1）氧化层达到一定厚度，通常不锈钢为0.10mm，铬钼钢为（0.2-0.5）mm；（2）温度变化幅度大，速度快，频度高。

由于热胀系数的差异，当垢层达到一定厚度后，在温度发生变化，尤其是发生反复或剧烈变化时，氧化皮即很容易从金属本体剥离。在机组起停过程中，管子的温度变化幅度最大，管内的氧化皮也最容易剥落。加之在起动初期蒸汽流量较小，不能迅速地将剥落氧化皮带走，等到大流量时，已经在管径较小的弯头处形成堵塞，就会产生超温。

所以氧化皮堵塞造成的爆管大多发生在起动后的短时间内[2]。

2防止氧化皮生成和剥落的措施

XX电厂超临界锅炉末级过热器和末级再热器出口金属壁温最高可达到600以上，入口壁温约为510度，按锅炉制造厂提供的壁温测点测量偏差30度计算，实际壁温值出口段最高可达到630度。按照简单线性温升计算，T23管段的实际壁温值最高可达到600度，已经达到甚至超过T23材质的许用温度上限，生成氧化皮难以避免。对此，可采取以下措施：

（1）将T23管更换为T91管是最彻底的解决办法，但其费用较高，而且更

换工期较长。从运行记录上看（图4），XX电厂8号锅炉末级过热器屏间壁温值为明显的双驼峰曲线，偏差达到50以上，因此从经济上考虑可以将处在高温区的T23管更换为T91管。此方案相对节省投资，但仍需要在运行中采取措施控制壁温，避免超温。

（2）上海锅炉厂600MW机组超临界锅炉末级过热器设计安装壁温测点44点，每隔4屏在6号管加一个点，第22屏和第61屏逐根管加装测点。考虑各屏间管子壁温的偏差，在高温区、曾经爆管区域等全部加装壁温测点，扩大对管子运行温度的监视范围，降低超温的风险。

（3）从两侧减温水量的偏差上和末级过热器屏间壁温差曲线可以看出，太仓电厂锅炉左右侧烟温存在明显偏差。这不仅使一侧的受热面管子容易出现超温，而且减温水的投退，特别是低负荷时二级减温水的投入会影响到壁温的突变。因此，对炉膛出口烟气的实际温度进行测量，对可以降低烟气残余旋转的SO-FA 风进行调整，使其能够最大地降低炉膛出口的烟气残余旋转，以使烟温偏差值控制在50度以内。

（4）温升（降）速率直接影响到氧化皮的剥落，由于氧化皮和基体金属的线膨胀系数有明显差异，控制温升速率显得尤为重要。如果燃烧器采用等离子点火，为防止等离子起动初期温升难以控制，建议起动时投油助燃[3]。

（5）在起动初期，通过汽轮机起动旁路对系统进行长时间大流量低压冲洗，以将沉积的氧化皮冲走。在起动和升负荷期间，注意监视管壁温度，如发现异常，可以采取快速升降负荷变压冲洗。

（6）利用停机检修机会采用超声波测厚仪对末级过热器、高温再热器进行氧化皮检测。

参考文献

[1]唐海宁等.2000t/h锅炉高温过热器氧化皮形成剥离机理分析与综合治理

[A].首届江苏省电力安全论文集，2004.

[2]银龙等.超临界机组氧化皮的产生与防范J].电力设备，2006，（10）.

[3]李耀君.氧化皮脱落导致的过热器管爆管分析[J].热力发电，2005，（6）.

作者简介：

侯志鹏：男，工程师，1981年，专业研究方向发电厂集控运行

张舜：男，助理工程师，1983年，专业研究方向发电厂集控运行