受热面高温氧化皮成因分析

图1中压第一级隔板（2000年3月#1机大修） 受热面高温氧化皮成因分析

徐远鹏 华能南通电厂 (江苏 226003)

摘 要 本文概略地分析了受热面内壁高温氧化皮的形成和剥落机理，指出受热面长期超温和高压介质的作用是受热面内壁氧化皮形成的根本原因，受热面内壁氧化皮的剥落对汽轮机和高压加热器的安全运行构成了较明显的威胁。 关键词 高温氧化皮 超温 高温高压 剥落

华能南通电厂#1、#2炉是美国BW 公司制造的Carolina 型亚临界、一次中间再热、自然循环煤粉锅炉，它采用单汽包、单炉膛、轻型敷管式炉墙、全悬吊结构、“π”型布置，额定蒸发量为1085.1T/H ，过热器出口压力为17.84MPa ，过热器出口温度为540.6℃，再热器出口温度为539℃，给水温度为282℃，锅炉设计效率为93.7%，分别于89年9月和90年5月投产，至2002年7月已累计运行91900H 和93000H 。

1. 受热面高温氧化皮状况及影响

BW 公司制造的锅炉，由于其结构设计上有许多独特之处，加上投产以来我厂很注重运行和检修管理，锅炉的运行状况较为理想。但在运行7万小时以后，也逐步出现一些问题，一是汽机隔板和叶片上有不少冲蚀痕迹，尤其是调节级和高中压缸第一级；二是打开高加人孔门后，时常发现高加内积有不少氧化铁屑杂质，而高加内并没有明显的腐蚀和结垢。我们分析认为，这是由于蒸汽携带的杂质造成的，而这种杂质就是受热面内壁剥落的氧化皮。

99年4月和2000年5月，委托国电热工研究院用超声内壁氧化皮测厚法，对#1炉和#2炉高温过热器和高温再热器进行了测试和分析。根据测试结果，高温过热器迎烟侧内壁平均氧化皮厚度为345.6µm ，背烟侧内壁平均氧化皮厚度为339.3µm ；高温再热器迎烟侧内壁平均氧化皮厚度为322.7µm ，背烟侧内壁平均氧化皮厚度为302.9µm 。高温过热器迎烟侧内壁氧化皮最大厚度为382.1µm ，背烟侧内壁最大厚度为365.3µm ；高温

再热器迎烟侧内壁最大厚度为483.4µm ，背烟侧内

壁最大厚度为365.3µm 。可见，我厂高温受热面内

壁氧化皮厚度已较可观。

内壁氧化皮的存在，不仅导致受热面金属壁

温升高，成为管子蠕变失效或过热爆管的原因之

一，而且增大了管壁的导热热阻，降低了锅炉的

经济性。此外，由于氧化皮的不断剥落，还对汽

机和高低加的安全运行构成了威胁。#1汽机中压

缸第一级隔板冲蚀状况参见图1。 2. 高温氧化皮成因和剥落机理分析

由于铁的氧化物种类繁多，并且在不同的条件下生成不同的氧化物，关于受热面高温氧化皮的成因和剥落机理，目前还处于探索和研究之中。通过多次试验和分析，我们认为主要是以下几方面的原因：

金属的氧化是通过氧离子的扩散来进行的。假如生成的氧化膜是牢固的，在生成氧化膜后，氧

化过程就会减弱，金属就得到了保护。假如生成的氧化膜不牢固，那么生成的氧化膜不断剥落，氧化过程就会继续下去。

受热面氧化现象首先是铁元素的氧化。在570℃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。当超过570℃时，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4、FeO三层组成（FeO在最内层），其厚度比约为1：10：100，即氧化皮主要是由FeO组成，FeO是不致密的，因此破坏了整个氧化膜的稳定性，这样氧化过程得以继续下去。

铁与水蒸汽直接发生化学反应，生成Fe3O4：

3Fe＋4H2O 300

Fe3O4＋4H2↑

如前所述，所生成的Fe2O3和Fe3O4本来应该是较致密的，对管壁可以起保护作用。事实上，当温度超过450℃时，由于热应力等因素的作用，生成的Fe3O4不能形成致密的保护膜，使水蒸汽和铁不断发生反应。当汽水温度超过570℃时，反应生成物为FeO，反应速度更快。

在#1炉和#2炉高温过热器和高温再热器内壁氧化皮测试试验中，根据所测得的内壁氧化皮厚度，计算了受热面当量金属温度。根据计算结果，高温过热器出口管屏上部迎烟侧（材料为SA213T22）当量金属温度为570~588℃，上部背烟侧（材料为SA213T12）当量金属温度为565~570℃，下部迎烟侧和背烟侧（材料为SA213T22）当量金属温度均为595~597℃；高温再热器上部迎烟侧和背烟侧（材料为SA213T22）当量金属温度均为595~597℃，下部迎烟侧和背烟侧（材料为SA213T22）当量金属温度均为595~606.5℃。

从计算结果可以看出，高温过热器和高温再热器的当量金属温度已接近材料允许使用温度的上限。在实际运行中，短时间的超温现象是普遍存在的。在超温工况下，金属的抗氧化能力大大降低，有利于内壁氧化皮的形成和发展。

氧化过程中，氧向金属内部扩散首先是沿着晶界进行的，在金相显微镜下，常常可以看到深度为一个晶粒大小的沿晶小裂纹。当小裂纹连成一片并穿透后，内壁氧化皮就会剥落。

由于在不同的外界条件下，铁会生成不同的氧化物，而铁及其各种氧化物的导热系数是不同的，当温度变化幅度较大、尤其是机组启停时，铁及其各种氧化物之间会产生温度应力，且温度应力随温度变化速度增大而增大。这种温度应力也是管内氧化皮剥落的主要原因之一。

3.分析与讨论

在氧化皮的形成过程中，管壁温度和压力对氧化皮的形成起着推动作用，降低受热面壁温、减小管内介质压力可以有效地减缓管内氧化皮的形成速度，但这必须以机组的经济性为代价。在运行中，注重燃烧调整和燃料种类选择配用、防止受热面超温超压，可以有效地遏制氧化皮形成。

管内氧化皮生成和剥落速度与温度、时间、氧气含量、蒸汽压力、流速、钢材成份、氧化皮成份等因素有关。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，管内氧化皮生成和剥落速度愈快，而钢中加入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。

由于高温受热面工作环境较为恶劣，对管材的要求也就较高。目前，根据国内外理论研究和运行实践，T91是制作高温受热面较为理想的材料，近两年内我厂拟将高温再热器出口管排全部换成T91管材。

必须重视技术监督工作，适时取样分析，及时掌握高温受热面管材金相组织变化及内壁氧化皮发展状况，并据此科学地制定运行和检修措施。

检修过程中，必须杜绝金属杂质进入受热面管内，以免由于金属颗粒的运动而导致较大颗粒的