高志華 董占雙

摘要：

現(xiàn)在，隨著電站鍋爐向著超超臨界的高參數(shù)，高效率發(fā)展，蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕（SPE）問題變得越來越突出。鍋爐管道中氧化皮脫落沉積甚至堵塞，會造成受熱面超溫甚至爆管，汽輪機葉片嚴(yán)重侵蝕斷裂，對氧化皮高溫系統(tǒng)閥門會造成卡塞，危及安全等問題。本文介紹了廣東某電廠超超臨界鍋爐概況，分析了超超臨界機組鍋爐氧化皮的形成和剝落機理，并在此基礎(chǔ)上探討應(yīng)對預(yù)防策略。

關(guān)鍵詞：超超臨界鍋爐，氧化皮，剝落，壁厚

1、設(shè)備簡況

廣東某電廠鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，鍋爐采用一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式布置。由上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)Alstom-Power公司Boiler Gmbh的技術(shù)生產(chǎn)。

爐膛由膜式水冷壁組成，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。爐膛下部采用螺旋水冷壁，上方為垂直水冷壁，螺旋水冷壁與垂直水冷壁采用中間聯(lián)箱連接過渡。爐膛上部依次分別布置有一級過熱器、三級過熱器、二級再熱器、二級過熱器、一級再熱器、省煤器。

項 目 單位 MCR工況 THA工況

過熱蒸汽流量 T/h 3091 2712

過熱蒸汽出口壓力 MPa 27.46 27.16

過熱蒸汽出口溫度 ℃ 605 605

再熱蒸汽流量 T/h 2581 2282

再熱蒸汽進(jìn)口壓 MPa 6.03 5.33

再熱蒸汽出口壓力 MPa 5.83 5.15

再熱蒸汽進(jìn)口溫度 ℃ 375 352

再熱蒸汽出口溫度 ℃ 603 603

省煤器進(jìn)口溫度 ℃ 298 289

省煤器進(jìn)口壓力 MPa 31.46 30.26

省煤器出口水溫 ℃ 334 326

表1 廣東某電廠鍋爐主參數(shù)一覽

2 氧化皮的生成與剝落

2.1 氧化皮生成的機理

鐵素體和奧氏體管材在鍋爐高溫段爐管廣泛使用，這些管材在高溫下運行與蒸汽作用會在爐管內(nèi)壁生成一層氧化皮，阻礙了鐵和水或蒸汽間的進(jìn)一步反應(yīng)，可以防止管內(nèi)介質(zhì)中的某些成分對金屬的腐蝕。但是，在一定條件下，這些氧化皮會與母材脫離，鋼表面氧化皮的生成是金屬在高溫水汽中發(fā)生氧化的結(jié)果。在570℃以下，生成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4組成，F(xiàn)e2O3和Fe3O4都比較致密（尤其是Fe3O4），因而可以保護(hù)鋼材以免其進(jìn)一步氧化。當(dāng)超過570℃時，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4、FeO層組成，見圖1。其中主要是由FeO組成，雖然FeO在最內(nèi)層，但因FeO致密性差，破壞了整個氧化膜的穩(wěn)定性。

圖1 高于570℃管內(nèi)壁多層氧化膜結(jié)構(gòu)

研究表明，當(dāng)溫度超過450℃時，由于熱應(yīng)力等因素的作用，生成的Fe3O4也不能形成致密的保護(hù)膜，使水蒸汽和鐵不斷發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)汽水溫度達(dá)到570℃以上，反應(yīng)生成物為FeO，且其反應(yīng)速度更快，此時金屬的抗氧化能力則大大降低。

1.2 影響氧化皮生成的因素

氧化皮生成與溫度、時間、氧含量、蒸汽壓力和流速、鋼材成分、氧化皮成分等有關(guān)。通常認(rèn)為：運行時間和氧化皮的厚度基本呈線性關(guān)系；介質(zhì)中氧的分壓愈高，流速愈快，氧化皮生成速度愈快；溫度對氧化皮厚度的影響呈加速上升（符合拋物線規(guī)律）的趨勢，當(dāng)金屬材料在接近和達(dá)到其許用溫度區(qū)域時，影響極為顯著。

研究結(jié)果顯示，金屬表面的氧化膜并非由水汽中的溶解氧和鐵反應(yīng)生成，而是由水汽本身的氧分子氧化表面的鐵所形成的。在570℃以上，水分子會分解為氫氧原子結(jié)構(gòu)，大量的氧原子充分滿足了氧化反應(yīng)的需要。而570℃也正是形成不致密的FeO的關(guān)鍵溫度值，所以570℃應(yīng)該成為制定運行參數(shù)的重要參考。

1.3 氧化皮剝落的機理

在溫度變化時，氧化皮本身以及母材間的膨脹系數(shù)不同，氧化皮和管壁間的應(yīng)力和能量也隨之增加。當(dāng)氧化皮應(yīng)變所積蓄的能量大于該氧化皮脫層而產(chǎn)生新的內(nèi)表面所需的能量時，就會發(fā)生剝落。因而溫度變化越劇烈，越容易以開裂和隆起（翹起）等形態(tài)剝落，如下圖所示。

圖2 鐵素體鋼氧化皮開裂、隆起（翹起）形態(tài)

研究還表明，鐵素體鋼管子內(nèi)壁氧化皮達(dá)到0.15～0.20mm就有剝落傾向，越厚越危險，越厚其剝落量也會相對增大，剝落主要以縱向開裂、隆起（翹起）和片狀剝落為主，生長到0.30mm以上厚度時風(fēng)險較大。

3 預(yù)防氧化皮形成的措施

根據(jù)以上分析和現(xiàn)場實際，總結(jié)可知，要控制氧化皮的生成及剝落，需要從設(shè)備制造安裝、調(diào)試、運行調(diào)整、質(zhì)量監(jiān)督等多個環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)防和控制，受篇幅所限，本文重點討論運行調(diào)整方面的措施。

3.1 減緩生成

3.1.1 加強鍋爐給水、爐水、主再熱蒸汽的品質(zhì)監(jiān)督：在鍋爐啟動前進(jìn)行冷態(tài)沖洗，給水化驗不合格前禁止點火；在機組升溫升壓階段進(jìn)行工作熱態(tài)沖洗，熱態(tài)清洗水質(zhì)合格后才可以繼續(xù)按照升溫升壓曲線增加燃料；機組正常運行時，嚴(yán)禁精處理裝置退出運行，確保給水、蒸汽品質(zhì)合格，在給水、蒸汽品質(zhì)嚴(yán)重惡化，經(jīng)努力調(diào)整仍無法恢復(fù)時停止鍋爐運行。

3.1.2 防止鍋爐受熱面金屬管壁超溫運行

3.1.2.1 鍋爐冷態(tài)啟動的點火初期，過、再熱器處于干燒狀態(tài)。此時應(yīng)根據(jù)受熱面的金屬許用溫度來限制爐膛出口煙氣溫度低于540℃。要控制管壁的溫升速度，保持低燃燒增加速率。

3.1.2.2 機組在未投入?yún)f(xié)調(diào)的工況時，控制燃料量變化速度不大于1.8t/min（每次增加或減少不超過4 t/H）。

3.1.2.3 控制同級受熱面出口蒸汽溫度偏差小于40℃，否則應(yīng)通過調(diào)整鍋爐配風(fēng)燃燒器擺角等使之正常。

3.1.2.4 加強對高溫受熱面金屬溫度的監(jiān)視，在亞臨界工況和75%負(fù)荷下應(yīng)重點關(guān)注。

3.1.2.5 鍋爐在濕態(tài)與干態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)域運行時，調(diào)整燃料量應(yīng)平緩并盡量縮短其運行時間，注意保持給水流量的穩(wěn)定，防止鍋爐受熱面金屬溫度的波動。

3.1.2.6 進(jìn)行制粉系統(tǒng)啟動、鍋爐干濕態(tài)切換等操作時極易引起汽溫波動，要做好預(yù)控，做到平穩(wěn)操作。

3.2 控制剝落

3.2.1 機組在啟動過程中嚴(yán)格按照廠家指導(dǎo)曲線控制溫度、壓力變化速率。

3.2.2 嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)定控制升降負(fù)荷速率，控制管壁溫度升降速率，加強汽溫控制杜絕主汽溫度大幅波動或超溫運行。

3.2.3 減溫水使用操作要平穩(wěn)，溫度控制要超前，避免突開突關(guān)減溫水門使管壁急速降溫和升溫導(dǎo)致氧化皮集中脫落。

3.2.4 合理調(diào)配機組負(fù)荷，加強對鍋爐主、再熱汽溫及鍋爐各受熱面壁溫的控制及調(diào)整，盡量減少主、再熱汽溫及鍋爐各受熱面壁溫的大幅度波動。

3.2.5 鍋爐熄火后，檢查所有減溫水隔絕門關(guān)閉，避免減溫水進(jìn)入過熱器系統(tǒng)導(dǎo)致氧化皮脫落。鍋爐停爐后完成吹掃要及時停運送、 引風(fēng)機，進(jìn)行悶爐，鍋爐自然降壓。鍋爐應(yīng)保持18h以上的悶爐時間，不宜進(jìn)行強冷。

3.3 加強檢查

3.3.1 機組停運后的啟動，若汽機高壓缸壁溫小于100度，應(yīng)進(jìn)行鍋爐水壓試驗，在試驗過程中，檢修人員應(yīng)對受熱面進(jìn)行摸管檢查，防止氧化皮堵塞。

3.3.2 定期對蒸汽含氫量進(jìn)行測定并記錄，以評價受熱面蒸汽氧化腐蝕程度，及早發(fā)現(xiàn)腐蝕趨勢，避免出現(xiàn)嚴(yán)重后果。

3.3.3啟動期間在汽輪機沖轉(zhuǎn)前，保持三臺磨煤機運行，煤量180t/h以上大流量沖洗15～30min，再逐漸降低主、再汽溫度，進(jìn)行沖轉(zhuǎn)。在大流量沖洗前，應(yīng)盡量提高給水溫度。

4 結(jié)束語

超超臨界大容量機組的蒸汽參數(shù)高，更易引起蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕問題，對機組安全影響更大。因此通過研究鍋爐管道氧化皮生成及剝落機理，結(jié)合機組設(shè)計、運行的實際情況，分析并制定嚴(yán)格有效的預(yù)防措施，對于減輕鍋爐受熱面的氧化皮問題具有十分積極的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭世津.鍋爐蒸汽側(cè)氧化皮剝落的治理[J].華東電力，2003， （12）：66-68.

[2] 沈敏光.探討防止和減緩氧化皮生成和剝落的方法[J].電力建設(shè)，2003，（9）：18-19.

[3] 學(xué)敏，張文忠.鍋爐受熱面高溫腐蝕的機理及防范措施[J].電力科學(xué)與工程，2007，（2）：72-76.

[4] 于濱，苗淑紅 超臨界鍋爐氧化皮預(yù)防處理研究[J].電力建設(shè)，2009，（2）：101.

作者簡介：

1 高志華（1981—），男，河北人，助理工程師，本科學(xué)歷，主要從事火力發(fā)電廠集控運行工作。

2 董占雙（1974-），男，工程師職稱，華電能源股份有限公司富拉爾基熱電廠副總兼工程部主任，從事火力發(fā)電廠基建及生產(chǎn)工作。