超超临界机组氧化皮脱落成因分析及防治

超超临界机组氧化皮脱落成因分析及防治
超超临界机组氧化皮脱落成因分析及防治
高波
（内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司，内蒙古托克托010206）
为了满足人们日益增长的用电需求，发电企业不断改进发电设施，相继投运了高参数的超超临界机组。

但是超超临界机组在提高电力企业经济效益的同时，因为长期运行在高温高压下而增加了铁和水蒸汽的反应速率，导致产生氧化皮。

氧化皮在脱落后会严重影响到机组的稳定和安全运行，甚至造成严重的安全事故，需要采取措施積极防治。

本文主要分析超超临界机组氧化皮脱落的成因，并提出防治措施。

标签：超超临界机组氧化皮脱落成因与防治
引言
21世纪超超临界机组在环保趋势加深和燃料成本不断提高的情况下，成为提高发电企业发电量的重要设施。

但是，氧化皮脱落导致超超临界机组在运行中出现诸多问题，比如侵蚀叶片固体颗粒、卡涩汽轮机主汽门、堆积在节流短管和弯管处造成堵塞等等，严重威胁到机组正常的运行，特别是在冬季运行的供热机组。

金属材料和水蒸汽在高温高压下会增加反应速率，从而在高温受热面产生氧化皮，氧化皮厚度和运行时间成正比，这是有研究已经证明的结论。

而氧化皮的脱落经常发生在锅炉参数变化较大或者是启动和停止机组运行的时候，为了避免氧化皮脱落造成的严重后果，必须分析其形成和脱落原因，并采取防治措施。

一、氧化皮形成和脱落的原因
1.氧化皮形成和脱落的化学反应
氧化皮形成和脱落出现的位置是高温蒸汽管内壁，决定因素是通流部件的材质和运行工况的变化[1]。

在学界内公认的化学反应是如下：
3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2
3Fe+2O2=Fe3O4
机组一般在实际运行二十多个小时后，其内部的氧气含量就基本上没有了，这个时候就是在金属表面形成了致密氧化皮。

而给水中的含氧量在计算后发现也无法满足能够实现金属氧化的含氧量，因此发生的化学反应式是氧气氧化机理化学反应。

2.形成氧化皮的原因
高温蒸汽管里形成了两层氧化膜，包括内层的原生膜和外层的延伸膜。

原生膜主要是黑色的氧化铁，是水蒸汽和铁之间直接氧化形成的；延伸膜的形成是Fe离子向外扩散而蒸汽中的O离子向内扩散而形成的，在不同的温度下形成的氧化膜结构不同。

在570摄氏度以下，氧化膜的结构由内向表面是四氧化三铁、三氧化二铁，其中四氧化三铁能够对钢材起到一定的保护作用；在570摄氏度以上，氧化膜结构由内向钢表面是三氧化二铁、四氧化三铁、氧化铁，其中氧化铁具有不致密性，其疏松的结构、缺陷较多的晶格，表明这种氧化层是不稳定的。

3.氧化皮出现脱落的原因
对氧化皮脱落产生影响的因素主要有五个，包括：蒸汽中含有的氧气量、金属壁温或者蒸汽温度、开启和停止锅炉的方式与频率、氧化皮厚度、合金热膨胀系数。

氧化皮脱落的一般规律为：（1）氧化皮增加厚度和运行时间成正比，与脱落应变值成反比，氧化皮厚度在超过一定的临界值后就会发生脱落，发生脱落时的氧化皮厚度就称为临界厚度。

通常情况下百分之七十的奥氏体钢氧化皮在厚度为0.1毫米时会出现脱落，百分之百发生脱落的氧化皮厚度为0.15毫米，而铬钼钢在氧化皮厚度达到0.2到0.5毫米时会百分之百出现脱落；（2）在吸收热量相同的情况下，如果金属氧化物热膨胀的系数与合金差异较大时，越有可能出现氧化皮脱落；（3）在蒸汽温度被扰动比较严重时，氧化膜表面的应力会有比较大的变化，出现脱落的概率比较高，因此需要对开启、暂停锅炉时的蒸汽温度加强控制，减少氧化皮脱落；（4）超超临界锅炉现在采用的运行方式是微氧运行，在加氧上要注意，如果加得少，无法产生光滑而连续的致密氧化膜；如果加得多，额外的氧会进入过热器，进而使高温过热器里面的氧化皮生成速度加快，通常情况下锅炉的给水含氧量控制在每升20到60微克即可[2]。

二、超超临界机组氧化皮脱落的危害
超超临界机组氧化皮脱落造成的危害是巨大的，主要表现在：
1.脱落的氧化皮会对管道造成堵塞，导致与之相应的受热面管壁金属出现超温，强迫机组暂停运行；
2.氧化皮的长期脱落会导致管壁薄化、强度也变差，最后出现爆管；
3.一些设备上脱落的氧化皮是固体颗粒而且比较坚硬，比如再热蒸汽管道、再热器、锅炉过热器等，会对汽轮机通流部分的旁路阀、主汽阀、动叶片、喷嘴等造成严重损伤，同时也会降低汽轮机通流位置的效率，在特别严重的情况下，必须将叶片更换；
4.氧化膜的脱落缩短了检修周期，提高维护费用；
5.有些机组降低参数运行来减缓氧化皮的脱落速度，降低了超超临界机组的运行效率。

这些状况都会使超超临界机组运行的稳定性、经济性和安全性大大降低，造成企业的经济损失，对企业的健康发展造成一定影响。

三、防治超超临界机组氧化皮脱落的措施
在分析超超临界机组出现氧化皮脱落的原因后，需要采取一定的防治措施来应对，降低氧化皮脱落的概率，从而保证超超临界机组能够正常、稳定地运行，延长其使用寿命。

1.在设计和调试基建阶段做好防治工作
在设计和调试阶段采取的防治措施有：（1）将热偏差允许的范围明确写到锅炉合同中，并将其作为验收试验锅炉性能的主要指标；（2）在设计锅炉时，请专业的第三方人员计算热力系统；（3）选择的金属材料最好是能够耐氧化的合金；（4）在管壁内表面镀铬是延长金属表面氧化皮生成和脱落时间的有效方法，不过这种方法存在高费用和高污染等不足，比较难以推广；（5）氧化膜层铬元素质量浓度的提高可以采用内部喷丸处理，这种处理方式能够有效抑制在表面生成铁氧化物，使铬元素发生氧化的临界浓度有效降低，可以更好地生成单一的Cr2O3膜[3]。

比如采用喷丸处理TP347H 钢后，氧化膜铬含量得到大幅度提升，生成了富铬氧化层，生成氧化膜的速度有效降低；（6）在设计旁路选型与热控系统时，一是要达到机组热态与极热态的开启要求，二是要达到机组运行后每次启动时汽水系统大容量冲洗的规格，尤其是在冷态启动时；（7）调查我国相似类型的锅炉在哪个环节容易出现超温爆管的情况，在这些环节加装对工质温度的测点和对壁温的测点；（8）在进行锅炉的燃烧调整实验、水动力实验和空气动力场实验时，必须要严格，按照规定进行实验，不能与制造商规定的要求相差太大；（9）及时进行吹管和酸洗等操作，要及时清除干净易脱落的氧化皮，以免在机组投运后受到影响。

2.在机组生产运行阶段做好防治工作
机组生产运行阶段防治氧化皮脱落的具体措施有：（1）在机组运行时，要监控好工质温度和金属壁温，严禁在超过规定温度时运行。

在启动和停止锅炉时，对升降温、升降压的速率进行严格把控，如果机组的带负荷比额定负荷的百分之二十还低时，最好不要采用减温水；（2）对锅炉横断面的温度偏差要进行严格把控，控制温度的主要方面是管壁温机组生产运行阶段防治氧化皮脱落的具体措施有：（1）在机组运行时，要监控好工质温度和金属壁温，严禁在超过规定温度时运行。

在启动和停止锅炉时，对升降温、升降压的速率进行严格把控，如果机组的带负荷比额定负荷的百分之二十还低时，最好不要采用减温水；（2）对锅炉横断面的温度偏差要进行严格把控，控制温度的主要方面是管壁温度，避免管壁温度超过规定温度是最为重要的目标；（3）热控自动化水平需要再提高，在所有工况中都最好不要让工作人员实施手动操作，尽量不要出现不正常的停机；（4）在因为事故而导致停机后，需要采取的措施是“闷炉”，尽量将锅炉的温度和压力保持在停机前，与此同时要对出现事故的原因进行调查和处理，尽快启动机组的热态或者极热态；（5）机组启动和暂停的次数应该尽可能减少，尤其是冷态启动的次数；（6）对加氧要加强控制，保障汽水的质量；（7）在启动已经安裝有等离子
点火装置的锅炉时，最好在点火初期投用一到两支油枪实施暖炉，慢慢地提高炉膛的温度，在锅炉的温度达到指标时在投进煤粉；（8）有的锅炉已经出现了氧化皮的大面积脱落，针对这些锅炉最好是降低温度运行，降低的温度基准是管壁温度在规定值以下；（9）在启动锅炉时，如果有条件最好吹扫氧化皮，保障后期锅炉的正常运行。

如果一些机组在投运后不久就出现比较严重的氧化皮生成和脱落，那么可以采取的措施是重新对锅炉进行严格吹管与酸洗，从而将氧化皮彻底清除掉，为了实现这一操作需要重新安装临吹管道。

如果一些机组选择了大容量的旁路系统，那么可以用旁路的“替代吹管”大容量清晰锅炉汽水管道，其清洗的容量能够达到百分之四十到百分之六十的质量流量。

四、结语
超超临界机组出现氧化皮脱落的原因比较复杂，包括开启和停止锅炉的方式与频率、氧化皮厚度等都是影响因素，而且其出现是很难避免的，会严重影响到发电机组的安全稳定运行和发电企业的经济效益。

技术人员要从设计和调试阶段、锅炉运行阶段加强防治氧化皮的生成与脱落，保障超超临界机组的健康运行。

参考文献
[1]倪满生.某超超临界机组高温受热面氧化皮脱落分析与预防对策[J]. 工程技术：全文版：00311-00312.
[2]何诚，杨守伟，樊旭.超临界锅炉高温过热器氧化皮脱落导致爆管的原因分析及对策[J]. 河北电力技术，2010，29（5）：29-30.
[3]邱嵩. 660MW超超临界机组锅炉氧化皮的产生及预防控制[J]. 工程技术：全文版，2016（12）：00278-00279.。