王力園

(大唐國際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 潮州 515723)

1 鍋爐情況簡介

潮州電廠1，2號600MW機(jī)組的鍋爐是由哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司引進(jìn)三井巴布科克能源公司(Mitsui Babcock Energy Limited)技術(shù)生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，為單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，型號為HG-1900/25.4－YM4。鍋爐燃燒方式為前后墻對沖燃燒，前后墻各布置3層三井巴布科克公司生產(chǎn)的低NOX軸向旋流燃燒器(LNASB)，每層各有5只，前墻最下層5只燃燒器配置等離子點(diǎn)火裝置以取代點(diǎn)火油槍。鍋爐設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煙煤，校核煤種為山西晉北煙煤。水冷壁和包墻過熱器材質(zhì)為15CrMoG，屏式過熱器材質(zhì)為SA213-T91和SA213-TP347H，末級過熱器材質(zhì)為SA213-T91和SA213-TP347H，高溫再熱器材質(zhì)為12Cr1MoVG(入口段)、SA213-T91(中間段)和SA213-TP347H(出口段)。

2008-03-08，2號爐在啟動后，帶正常負(fù)荷運(yùn)行只1天，即因?yàn)檫^熱器氧化皮剝落堵塞過熱器蒸汽管道(發(fā)生在屏過及末過處)，導(dǎo)致鍋爐爆管。

在2號機(jī)組解列、鍋爐通風(fēng)冷卻后，檢修人員進(jìn)入爐內(nèi)檢查，發(fā)現(xiàn)第9屏(從爐左數(shù))14管(從外圍向內(nèi)圍數(shù))、11屏1管、22屏4管入口管段爆管，爆口位置全部位于T91與TP347H異種鋼焊口上方約10mm處的T91管道。爆口均呈喇叭口形狀，脹粗十分明顯，爆口邊緣鋒利，破口附近氧化層很薄，判斷為短期過熱超溫爆管，懷疑管道內(nèi)部有異物堵塞。將變色較嚴(yán)重的一根管道下彎割下，倒出大量氧化皮粉末，重量約為300 g(見圖1)。經(jīng)廣東及西安電科院金屬專家現(xiàn)場檢查，判斷為末過TP347H 管段內(nèi)部氧化皮剝落造成管道堵塞，管道局部短時(shí)間過熱發(fā)生爆管。

圖1 管內(nèi)清出的氧化皮

2 氧化皮生成的機(jī)理

研究發(fā)現(xiàn)：水蒸汽可以在高溫下分解成氫氣和氧氣，金屬在高溫水蒸汽中發(fā)生氧化，尤其是當(dāng)水蒸汽在570 ℃以上時(shí)對鋼材有較強(qiáng)的氧化性，在600～620 ℃時(shí)，氧化速度加快，不銹鋼氧化層會迅速增厚。主要反應(yīng)化學(xué)方程式為：

西安熱工院對鍋爐鐵素體鋼(T23/T91)管樣的金相分析結(jié)果為：蒸汽側(cè)氧化皮微觀結(jié)構(gòu)形貌為雙層結(jié)構(gòu)，外層為Fe3O4和少量Fe2O3，內(nèi)層為(FeCr)3O4。

3 影響氧化皮生成的主要因素

鍋爐運(yùn)行中金屬管材氧化皮生成的速度與管壁溫度和管材材質(zhì)存在著以下關(guān)系：

(1) 同一種鋼材在不同溫度下，管壁溫度越高，氧化速度越快；

(2) 不同種鋼材在相同溫度下，鋼材抗氧化性能越好，氧化速度越慢。

4 影響氧化皮剝落的因素

氧化層剝離有2個(gè)主要條件：

(1) 多層氧化層達(dá)到一定厚度：不銹鋼0.1mm，鉻鉬鋼0.2～0.5mm (運(yùn)行2萬～5萬h可以達(dá)到)；

(2) 金屬材料與氧化膜或氧化膜層間應(yīng)力達(dá)到臨界值。溫度變化頻繁、幅度大、變化率高是造成層間應(yīng)力大的主要原因。

此外，金屬材料本身的特性也是氧化層剝離的影響因素之一。實(shí)際上，氧化皮就是一種金屬化合物的混合物，其線膨脹系數(shù)α1一般在9.1×10-6K-1左右。和氧化皮相比較，線膨脹系數(shù)相差越大的金屬材料，其氧化皮就越易剝落。表1為幾種材料在不同溫度下的線膨脹系數(shù)，從表中數(shù)據(jù)可以看出，鐵素體T91鋼和奧氏體不銹鋼TP347管內(nèi)壁均易出現(xiàn)氧化皮剝落堵管，從而引起超溫爆管。

表1 幾種材料在不同溫度下的線膨脹系數(shù)α1

5 氧化皮的主要危害

(1) 氧化皮剝落造成受熱面超溫。剝落后的氧化皮一般集中在高溫段受熱面U型管底部彎頭或出口管段中，或在聯(lián)箱的節(jié)流孔部位，容易導(dǎo)致局部過熱，超溫爆管。

(2) 氧化皮的產(chǎn)生容易使主汽門卡澀，造成機(jī)組停機(jī)時(shí)主汽門無法關(guān)閉，威脅機(jī)組安全停運(yùn)；并容易堵塞細(xì)小管道、疏水閥門、逆止門等，使系統(tǒng)產(chǎn)生潛在隱患。

(3) 流動蒸汽帶出的氧化皮對汽輪機(jī)部件產(chǎn)生固體顆粒侵蝕，造成汽輪機(jī)噴嘴和葉片侵蝕損壞并污染水汽品質(zhì)。正常條件下，在過熱器中T91鐵素體上生長的氧化皮是汽輪機(jī)發(fā)生固體顆粒侵蝕的最主要因素。

6 氧化皮剝落的特點(diǎn)

氧化皮剝落后，通常機(jī)組啟動運(yùn)行較短時(shí)間就會出現(xiàn)管壁局部過熱或爆管，但也有運(yùn)行較長時(shí)間爆管的。氧化皮剝落一般多發(fā)生在爐膛出口到水平煙道高溫段過熱器和高溫段再熱器部分。

7 事故原因分析

此次發(fā)生的TP347H管道內(nèi)部氧化皮剝落造成爆管的原因，可能有以下幾方面。

(1) TP347H管為奧氏體不銹鋼管，是粗精鋼，其線膨脹系數(shù)α1為(1.7～1.9)×10-5K-1，而氧化物的線膨脹系數(shù)α1為9.1×10-6K-1。該材質(zhì)產(chǎn)生的氧化皮和基材膨脹系數(shù)差別較大，在管材溫度受擾動時(shí)氧化皮很容易從金屬本體剝離。啟動過程中升溫升壓速度較快，整個(gè)過程中平均溫升率為1.65 ℃/min；期間，由于其他原因造成汽機(jī)高壓旁路關(guān)閉，導(dǎo)致過熱汽溫有一個(gè)較快的溫升率(短時(shí)間超過3 ℃/min)，這可能是造成氧化皮大量剝落的主要原因。

(2) 機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，因管道高溫受熱面有一定超溫過熱現(xiàn)象，加速了管壁高溫氧化，已形成一定量的氧化物附著在金屬內(nèi)壁上。

(3) 滑停中溫降速度控制不當(dāng)，造成不銹鋼收縮快，氧化物收縮慢，氧化物受熱應(yīng)力作用而龜裂、剝落，且因蒸汽流量低，攜帶能力降低，最終氧化物沉積至管道下部。

(4) 由于煤質(zhì)、熱負(fù)荷的變化，在低負(fù)荷(60 %額定負(fù)荷及以下)下由于部分過熱器管子蒸汽流量偏低，流速偏差大，可能造成局部過熱而引起爆管。

(5) 啟動中冷、熱態(tài)沖洗不夠，未將已剝落的氧化皮沖洗干凈。

根據(jù)2號機(jī)組鍋爐爆管的時(shí)間分析，管道內(nèi)部氧化皮大量剝落的時(shí)間可能發(fā)生在啟動過程中。

8 治理的思路及防范措施

治理思路重點(diǎn)考慮以下4步：減緩生成→控制剝落→加強(qiáng)檢查→及時(shí)清理。具體措施有以下方面。

(1) 啟動中加強(qiáng)冷、熱態(tài)沖洗，嚴(yán)格控制冷態(tài)沖洗和熱態(tài)沖洗水質(zhì)指標(biāo)。要充分利用旁路系統(tǒng)進(jìn)行蒸汽系統(tǒng)的清洗，目的是保證氧化皮等雜質(zhì)被沖洗干凈，主要注意控制水質(zhì)中鐵和二氧化硅的含量。

(2) 嚴(yán)格控制鍋爐升溫、升壓速度，到汽機(jī)沖轉(zhuǎn)、機(jī)組并網(wǎng)轉(zhuǎn)干態(tài)運(yùn)行前，溫升率不超過1.5℃/min。盡量避免使用減溫水，尤其是二級減溫水的使用。對于使用燃油或微油點(diǎn)火技術(shù)的機(jī)組，控制溫升率一般問題不大，但使用等離子點(diǎn)火技術(shù)的機(jī)組在點(diǎn)火初期應(yīng)加強(qiáng)調(diào)整。

(3) 并網(wǎng)轉(zhuǎn)干態(tài)后，控制主、再熱汽溫在530 ℃左右運(yùn)行不低于5 h，并盡量爭取高于500MW負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行(大流量沖洗)。

(4) 根據(jù)鍋爐給水水質(zhì)情況投入加氧工況，目的就是通過改變給水處理方式，在碳鋼表面形成雙層氧化膜。關(guān)鍵是嚴(yán)格控制給水陽離子的電導(dǎo)率一般要低于0.1μs/cm ，當(dāng)給水陽離子電導(dǎo)率大于0.3μs/cm時(shí)，應(yīng)停止加氧處理。

(5) 機(jī)組正常運(yùn)行中，嚴(yán)格控制受熱面蒸汽和金屬溫度，嚴(yán)禁鍋爐超溫運(yùn)行；對地區(qū)負(fù)荷峰谷差較大、負(fù)荷落差較大的調(diào)峰機(jī)組，啟、停磨要控制好。此外，要加強(qiáng)對超溫考核的力度。

(6) 事故跳機(jī)情況下，在故障比較明確，不影響機(jī)組沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)的前提下，要盡快沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)接帶負(fù)荷，避免鍋爐受熱面金屬壁溫出現(xiàn)大幅度降低。

(7) 停爐超過3天時(shí)，在鍋爐帶壓放水前、正常吹掃后應(yīng)密封爐膛；或因設(shè)備原因、檢修原因，可以通過自然通風(fēng)冷卻，但應(yīng)避免停爐后18 h內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。

(8) 加強(qiáng)檢查，及時(shí)清理。通過拍片、測厚、內(nèi)窺鏡等技術(shù)手段檢查管壁氧化皮剝落和堆積情況，及時(shí)割管清理。本著逢停必查的原則，停爐時(shí)間超過3天時(shí)，都要對屏過、末過管屏進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)管道有變顏色等異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行檢查、處理。

(9) 增大停運(yùn)頻率，加強(qiáng)設(shè)備的正常維護(hù)，延長檢修周期。

9 結(jié)束語

氧化皮的生成速度取決于金屬管壁溫度，氧化皮的剝落主要取決于氧化皮與金屬基體的溫差及溫度變化速率?？刂平饘俟鼙跍囟仁菧p緩氧化皮生成的關(guān)鍵。溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致氧化皮剝落的主要原因，是控制剝落的重點(diǎn)。加強(qiáng)檢測、及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)清理以保證機(jī)組在健康狀態(tài)下運(yùn)行。作為運(yùn)行人員來說，如何選擇金屬材料是決定不了的，但是可以通過運(yùn)行調(diào)整等措施，達(dá)到減少氧化皮的生成，減緩氧化皮的剝落速度，可以做到減少機(jī)組因氧化皮的原因造成高溫受熱面爆管，避免出現(xiàn)機(jī)組非停事故。自2008年爆管事故后，運(yùn)行人員嚴(yán)格執(zhí)行廠里規(guī)定的防治氧化皮措施，2臺600MW鍋爐未再發(fā)生過因氧化皮的原因造成的爆管停機(jī)事故。