氧化皮脱落研究

不同管排温度差异
氧化皮脱落现象
• 高温下反应生成的氧化皮厚度达到一定程度，温度波动和或应力变化 会使它发生脱落。70年代，日、英和北美就已报告氧化皮开裂脱落和 堵塞的问题。 最初是英国发现小口径不锈钢管内壁脱落下的氧化皮堵塞管子现象， 堵塞妨碍蒸汽流动导致超温失效。英国中央电力局（CEGB）发起了相 关研究， 同期，在美国发生了低铬T22等钢脱落氧化皮颗粒对汽机入口通流部 分的固体颗粒侵蚀（solid particle erosion，即SPE）问题。65年调查 248台机组，85%的机组存在SPE问题，较为严重的有135台之多、引起 汽门卡涩及一级叶片侵蚀。ASME在78年也作了专题调研。
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壁温监测结果
• 各试验工况，三级过热器炉外最高壁温为 553.6℃ ，低于该类管子炉外金属壁温限值 573℃ ，因此，从强度考虑，三级过热器不 超温。 • 各试验工况，四级过热器炉外最高壁温为 568.4℃ ，低于该类管子炉外金属壁温限值 581℃ ，因此，从强度考虑，四级过热器不 超温
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氧化皮脱落问题研究回顾和现状
• 1965年美国对汽轮机固体颗粒侵蚀（SPE）问题作了调查 （248台机组）。 ASME在1978年也作了专题调研。 • 有关氧化皮脱落的研究最初由英国中央电力局（CEGB）开 始，接着，美国的EPRI参加了对氧化皮脱落起因的研究。 • 1978年，CEGB/EPRI合作发表了编号为EPRI FP-686的研究报 告。在1974年和1983年美国动力会议上发表。 • 1999年，EPRI还对给水加氧处理（OWT）是否引起氧化皮 脱落进行了专门研究。 • 为了适应电力市场对大容量、滑压运行超临界机组的需求 ，美国专门设立了“研究蒸汽发电厂氧化皮增长和脱落的 EPRI工作组”。
1 a 2 d c d a c c d d a d 3 4 b c d d c c d d d c d d d d d c d a d c d a a c c d c d d ※ b c d d c d ※ d d a c d c d d c c d a d c d d c d c d c c c d d c d c d b b d c d c d c d c d d d c d a d d a c d a d b c d b c d c d c d c d a d c d b c d b d a c d c d d 5 6 7 a a b c d c d c c d c d c d c d c d c d b c d d c d c d d c d c d a a c d c c d c c c c d d d d a c a c a c c d
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锅炉运行工况分析
• 分别在三级过热器安装18个、四级过热器 安装38个温度测点，进行3个项目9个工况 的试验 。 • 三级或四级过热器各管炉外壁温随负荷变 化略变化，随投磨方式不同和氧量不同， 炉外壁温变化很小。随上述各因素变化， 四级过热器炉内壁温或略降低，或略升高， 变化较小
572.1
586.2
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剥 离 与 脱 落 机 理
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主要结论
• 四级过热器弯头部位的爆管形式是典型的 超温引起的长期过热（蠕变）爆管； • 比较其他三台锅炉启停次数较少可知，＃1 炉年初有六次连续的快速启停，因而其氧 化皮脱落状况明显严重。快速启停是导致 脱落的主要原因； • 运行温度偏低导致形成的氧化皮大多数十 分疏松，易于脱落
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典型损伤位置
• 过热器中短期过热 （氧化物脱落引起） 引起的典型损伤位 置。在停机过程中， 在奥氏体管段AB中 脱落的氧化物落入 弯管B中，导致堵 塞。在铁素体材料 中，损伤一般发生 在“X”符号处。
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典型材料
• A类：含Cr量低于9％的铁素体钢，形成多层氧化膜，脱落 物尺寸相对较小。 • B类：T-91钢，最初的剥落是沿着金属基体和氧化膜界面 的开裂，或氧化层生长导致的分层，氧化膜脱落和外层 Fe2O3的量不断增加有关。因分层而脱落的氧化膜尺寸比A 类大。 • C类:12Cr铁素体钢，该种材料氧化膜的脱落模式和B相似； 氧化膜的Fe2O3含量更高，分层沿着各种平面。 • D类：奥氏体钢，氧化膜外层沿着内层和外层之间的孔洞 分离而大块脱落。 • E类：347HFG，包含A和D的情况。
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T22铁素体钢氧化皮构成
不连续Fe2O3 外层棒状多 孔氧化皮 （Fe3O4） ‘O’表示空洞 内层尖晶体 氧化皮 （Fe3O4） 原始铁素体钢 金属表面
过热器管圈阻力计算
• 不考虑各管碰焊口使管内径缩小增加的局 部阻力，同管屏中第1根管阻力最小，为 26536 Pa，第2根管阻力最大，为36009 Pa， 第2～7根阻力依次减小
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化学分析
• 由氧化皮成分分析可知，四级过热器中脱 落的氧化皮是其本身氧化皮，不是来自联 箱等其他部件的氧化产物。 • 对机组运行期间水汽品质进行分析统计， 水汽品质符合国家有关标准；停炉保养措 施执行较差，但都不会造成过热器超温氧 化和氧化皮的脱落
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高温氧化现象
电厂高温锅炉管出现的典型机理有三种：
• 烟气高温氧化 • 湿蒸汽高温氧化 • 干蒸汽高温氧化
• 目前第一种机理研究较充分，第二种研究有一些 ，第三种研究不充分，很多人在讨论的时候分不 清楚以上的界限与区别
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典型部位
• 水冷壁内壁（湿蒸汽高温氧化） • 水冷壁、过热器、再热器等高温锅炉管外 壁（烟气高温氧化） • 过热器、再热器内壁（干蒸汽高温氧化） • 联箱及管道内壁（干蒸汽高温氧化） • 阀门（干蒸汽高温氧化、冲蚀） • 汽轮机叶片等（干蒸汽高温氧化、冲蚀）
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电厂实例：阳城
• 2006年2月，大唐阳城发电厂#4锅炉临停后 重新启动时大量管子超温，超温运行14天 后停炉检查（高再共有97排，每排6管圈）， 除第1和第97排未割管外，其它95排6管圈 全部割管均有氧化物沉积，至此机组累计 运行近32588小时
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电厂实例：上安
• 上安电厂4号炉自1997.10到2004.12，累计 运行5.6万h，对‘高过’294个弯头做无损 检验，共发现45个弯头内部氧化皮堆积严 重。 经割管共清理出氧化皮总重量，共约 9000g，平均每个弯头约200g之多
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屏式过热器 二级过热器
600MW超临界锅炉典型部件
一级过热器 垂直 再热器 水平 再热器
氧化皮脱落发生的典型部位：过热器、再热器管子内壁
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电厂实例：洛阳
• 洛阳热电厂№1锅炉系俄罗斯制造的自然循环、固态除渣煤粉锅炉， 2003年5月7日，累计运行21552小时，启停61次。2003年5月7日，四 级过热器乙数第4、8排，前数第2根管下部弯头处过热爆管，宏观检 查，四级过热器32排管子的每排第2根管均有不同程度的发黑现象 （下图）。
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电厂实例：伊敏
• 2004年10月，华能伊敏发电厂#2炉热室内乙侧二级对流过热器30排第 1根管发生爆管（下图），10月8日#2炉停机，处理爆管后，将水平烟 道内的受热面管底部U形弯割下检查时，发现管内有氧化皮沉积
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电厂实例：伊敏
• #1锅炉停炉期间检验二级对流过热器、二级对流再热器中氧化皮比较 多，机组累计运行约3万小时；
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强度降低
650
抗拉强度
600 550 500 1 262 263 212 352 管排号 302 303 304
明显堵塞管样的强度严重降低
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TP321钢的组织变化
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爆管样蠕变损伤
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氧化皮脱落表面的特征
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管样运行温度评价
试样编号 262 263 212爆管 212 352 302 303 304 152 202 10 氧化皮法 601.2 硬度法 619.9 593.5 623.9 626.5 634.4 604.1 621.3 580.4 533.6 560.4 545.3 平均值 （619.9） 597.3 （623.9） （626.5） （634.4） 588.1 （621.3） 583.3 （533.6） （560.4） （545.3）
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建议
• 严格控制和减少锅炉设备启停的次数，严格控温 操作；在停炉12小时以后再打开炉门； • 建议对四级过热器进行一次详细的寿命评估，对 老化严重的管排及时更换，以确保运行安全； • 建议检查主蒸汽阀门等主要阀门内的氧化状况， 防止阀门卡涩事故发生。检查汽轮机叶片的表面 氧化状况，及时采取措施；
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电厂实例：日照
• 2004年4月，华能日照发电厂1# 炉再热器部分管段改造更换中发现所 有TP304H管内脱落堆积大量氧化皮，约占１／２管圈，氧化皮呈片状， 厚约0.1mm。7月16日3：42开始点火，7月17日11：10左右末级过热 器发生爆管，检查发现末级过热器前段左数第7屏西数第2根弯头上部 300mm处蠕变爆管损坏。
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高温锅炉管内壁氧化皮脱落 问题探讨与对策
演讲人：李耀君 西安热工研究院有限公司
内容提要
内容提要： • 亚临界/超（超）临界机组锅炉内壁氧化皮 脱落问题已成为近年来关注的重点。 • 对电厂脱落特征、基本定义与机理进行了 讨论，提出对应措施及其检验、检修方法。 关键词： • 高温锅炉管 氧化皮脱落 应对策略
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‘部分’堵塞和全部堵塞现象
• 随锅炉运行时间延长、当过热器、再热器管内的氧化皮发 生脱落时，它们可能是非常小的粉末、到相对较大的薄片。 脱落氧化皮的主体是磁性Fe3O4，可能随蒸汽流被冲走。 • 过热器、再热器的管排以并列管束为主，且其进、出口压 差相对较小，氧化皮会停留在管子中；特别是当其中细而 长的氧化皮数量较多时便会积聚在一起，最终造成管子的 ‘部分’或‘全部’堵塞而引起管子的超温和失效。 • 当发生‘部分’堵塞时，由于蒸汽流量减少、势必导致管 内蒸汽温度大幅度地增加，运行经验表明：此时靠近出口 集箱的T91 管段是最容易失效的部位。 • 与部分堵塞不同，当发生‘全部’堵塞时，位于锅炉顶棚 以上的T91 管段处的温度较低，而位于炉内烟道的奥氏体 钢管段将是最容易失效的部位。
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电厂实例：镇江
• 镇江发电有限公司#6机在2006年9月份由于末级再热器管 泄漏出现一次非停，在停炉及起动过程中由于对升降温的 速率控制不好。导致末级过热器#1（TP347材料）管氧化 皮大面积剥落，使出口弯头积存了大量的磁性极强的氧化 皮，引起末级过热器#1管反复爆管，自此以后在末级过热 器#7~12管又多次发生生氧化皮堵管爆管。此情况直到 2007年2月份将末级过热器冷段T23材料更换为T91后方才 好转。至此该厂＃6炉末级过热器目前共发生6次爆漏和1 次管子超温均怀疑与氧化皮有关。

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内壁氧化皮特征
T23管内壁
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300
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20:09 20:24 20:39 20:54 21:09 21:24 21:39 21:54 22:09 22:24 22:39 22:54
T19 T20 主汽温
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23:09 23:24 23:39 23:54 0:09 0:24 0:39
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橡树岭研究成果
• 美国OAK Ridge National Laboratory（ORNL）的Ian Wright等 发表了有关该课题组的大量研究报告。目前的研究成果， 反映在： • 对两类钢、不同钢材氧化皮组成及其结构的研究； • 对两类钢氧化皮脱落模型的改进； • 氧化皮厚与总弹性应变间关系的“Armitt线图” 改进及其 应用（1978年首提出）； • 对水处理工况的研究及防止氧化皮脱落危害的运行对策研 究等。
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问题的提出
• 国内、外亚临界/超（超）临界机组的运行 经验表明：在影响机组运行安全性和经济 性的诸多因素中，锅炉高温受热面管子内 壁氧化皮脱落（Oxide Exfoliation）问题，尤 其突出 • 超（超）临界锅炉的结构复杂，运行温度 高，大量使用不锈钢材料，上述问题的发 生更为普遍，其典型部位见下图