高清林，陳敦炳，黃慶專，張仁金

（1.福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362000；2.福建華電可門發(fā)電有限公司，福建 福州 350512）

600 MW超臨界鍋爐高溫管屏蒸汽氧化探析

高清林1，陳敦炳2，黃慶專1，張仁金1

（1.福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362000；2.福建華電可門發(fā)電有限公司，福建 福州 350512）

分析了600 MW超臨界鍋爐高溫管屏蒸汽氧化及其氧化皮剝落機(jī)理和影響因素，總結(jié)了氧化皮的生成、剝落和堆堵對(duì)鍋爐安全運(yùn)行的危害，并從管材的選擇及其熱處理和鍋爐設(shè)備的設(shè)計(jì)、運(yùn)行等環(huán)節(jié)入手，提出了減緩氧化皮生成、防止氧化皮集中脫落、避免因氧化皮堆堵而導(dǎo)致鍋爐高溫管屏超溫爆管的預(yù)防措施。

超臨界鍋爐；高溫管屏；蒸汽氧化；爆管

隨著火電機(jī)組不斷向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，近幾年全國(guó)各地相繼投入了大量的600 MW超臨界機(jī)組。蒸汽溫度和壓力的提高，使鍋爐高溫管材的蒸汽氧化問題日益突出，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

爐管因蒸汽氧化而爆管的原因一是氧化皮的生成；二是氧化皮的脫落；三是脫落的氧化皮堆積后引起汽流阻塞，最終導(dǎo)致爐管過熱爆管。

1 氧化皮的生成、脫落和堆堵

運(yùn)行中的爐管內(nèi)壁在高溫蒸汽的作用下會(huì)不斷氧化并形成氧化皮，氧化皮附著在管壁上并在運(yùn)行中不斷增厚。當(dāng)氧化皮達(dá)到一定厚度后，在外界擾動(dòng)作用下將脫落，脫落后的氧化皮可能在管中形成堆積堵塞現(xiàn)象。

1.1 氧化皮的生成

金屬的氧化過程是通過離子的擴(kuò)散進(jìn)行的。當(dāng)含Cr合金鋼爐管長(zhǎng)時(shí)間通流高溫高壓的蒸汽時(shí)，在氧化的初始階段，活性較高的Cr3＋很快擴(kuò)散到管子內(nèi)表面，并與蒸汽中的O2-反應(yīng)生成Cr2O3氧化膜，這層薄而致密的氧化膜阻止了管子內(nèi)壁的進(jìn)一步氧化。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，Cr2O3氧化膜以下的基體金屬也相應(yīng)發(fā)生了Cr的貧化，同時(shí)，在超溫或溫度、壓力劇烈波動(dòng)等情況下，表層Cr2O3氧化膜會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的裂紋，基體中的Fe2＋和Fe3＋便向Cr2O3氧化膜外擴(kuò)散，并與蒸汽中的O2?反應(yīng)生成氧化皮［1］。

當(dāng)管壁溫度在570℃以下時(shí)，生成的氧化皮由內(nèi)層的Fe3O4和外層的Fe2O3組成，F(xiàn)e3O4和Fe2O3的結(jié)晶結(jié)構(gòu)較為致密，離子在其中的擴(kuò)散速度很慢，氧化速度也較為緩慢；當(dāng)管壁溫度超過570℃時(shí)，基體中的Fe2＋和Fe3＋進(jìn)一步通過內(nèi)層的Fe3O4向外擴(kuò)散，而蒸汽中的O2-也通過外層的Fe2O3向內(nèi)擴(kuò)散，在Fe3O4和Fe2O3之間的層面上，F(xiàn)e2＋、Fe3＋和O2-反應(yīng)分別生成Fe3O4和Fe2O3，而在Fe3O4層的內(nèi)側(cè)，F(xiàn)e3O4則分解生成FeO，至此，高溫下的氧化皮發(fā)展成由里到外的FeO、Fe3O4、Fe2O33層組成，其厚度比約為100∶10∶1，即氧化皮主要由FeO組成。由于FeO的晶格可置換、不致密，體積很小的金屬離子很容易通過它向外擴(kuò)散，所以金屬在高溫下的抗氧化性能大大降低。

隨著溫度的升高，各離子的擴(kuò)散遷移速度加快，離子間的反應(yīng)和Fe3O4分解為FeO的速度也加快，形成的氧化皮加厚。當(dāng)氧化皮增長(zhǎng)到一定厚度后，會(huì)在其中產(chǎn)生應(yīng)力，促使其破裂，導(dǎo)致氧化皮與金屬基體分裂，周圍的氧直接侵入內(nèi)部與金屬發(fā)生反應(yīng)，形成“破裂氧化”，且這種氧化過程要比擴(kuò)散氧化過程快。

1.2 氧化皮的脫落

數(shù)值模擬爐管內(nèi)壁氧化皮的剝落機(jī)理，結(jié)果表明，鍋爐爐管內(nèi)壁氧化皮的開裂和剝落，與其所受的應(yīng)力密切相關(guān)。

鍋爐運(yùn)行中，積聚在管內(nèi)氧化皮上的應(yīng)力如下：

a.合金氧化生成氧化皮時(shí)，因體積增大而產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力；

b.在鍋爐啟停及負(fù)荷或煙溫波動(dòng)較大時(shí)，因爐管壁沿徑向存在溫度梯度以及氧化皮與基體金屬之間熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的熱應(yīng)力；

c.因爐管內(nèi)汽水兩相流動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)、爐管外煙氣走廊形成的共振以及管壁溫度快速、大幅度變化等附加載荷產(chǎn)生的應(yīng)力［2］。

在溫度變化過程中，當(dāng)不斷累計(jì)的熱應(yīng)力、膨脹應(yīng)力和外載應(yīng)力的總和超過氧化皮的抗拉（抗壓）強(qiáng)度及其與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起氧化皮破裂并從金屬基體上剝離。

1.3 氧化皮的堆堵

在鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，受熱面的溫度較穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)氧化皮的大量剝落，且此時(shí)爐管內(nèi)的蒸汽流速也較高，少量剝落的氧化皮隨即被高速汽流擊碎并帶走，一般不會(huì)造成氧化皮在爐管中的堆積。但在鍋爐啟停或溫度、壓力波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)造成氧化皮的大量剝落，并可能在爐管中堆積堵塞。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，因氧化皮堆堵而導(dǎo)致爐管超溫爆管現(xiàn)象往往發(fā)生在停爐后的再次啟動(dòng)過程中［3］。一方面，鍋爐經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后形成了一定厚度的氧化皮，在停爐過程中爐管的快速冷卻使大量氧化皮集中脫落，在汽流帶動(dòng)和氧化皮自身重力的作用下，大塊的氧化皮沉積在U型彎管下彎頭，而停爐后的蒸汽冷凝水也匯聚在U型彎管底部，將剝落的氧化皮淹沒，當(dāng)鍋爐重新點(diǎn)火后，爐管內(nèi)聚積的冷凝水逐漸蒸干，氧化皮便粘結(jié)成塊狀，堵塞了爐管的流通截面。另一方面，在鍋爐啟動(dòng)過程中也會(huì)導(dǎo)致部分氧化皮脫落和堆積，在啟動(dòng)初期，首先是尺寸大、強(qiáng)度高的氧化皮在爐管彎頭、變管徑處和聯(lián)箱節(jié)流孔等部位堵塞形成橋架，由于此時(shí)爐管內(nèi)的蒸汽流量和流速較小，無(wú)法將其破碎并帶走；隨著鍋爐啟動(dòng)過程的進(jìn)行，爐管堆積的氧化皮越來(lái)越多，此時(shí)的蒸汽流量和流速雖有大幅提高，也很難對(duì)其產(chǎn)生擾動(dòng)并帶走。

2 鍋爐過熱爆管

對(duì)于薄壁壓力容器，其在工作中受到的環(huán)向應(yīng)力為［4］

式中 σ——管壁上的環(huán)向應(yīng)力，Pa；

P——管內(nèi)蒸汽壓力，Pa；

D——管徑，mm；

t——壁厚，mm。

氧化皮的堆積使?fàn)t管通流截面減小，導(dǎo)致其流動(dòng)阻力增大，流速變慢甚至停滯，使管壁溫度升高，進(jìn)而加劇氧化皮的脫落，同時(shí)，流速變慢也使氧化皮沉積的速度加快。如此惡性循環(huán)，使管壁溫度急劇升高。

在超溫過熱條件下運(yùn)行的爐管，在溫度和應(yīng)力的復(fù)合作用下，其珠光體球化和管材蠕變將加劇，導(dǎo)致爐管脹粗，管徑增大；同時(shí)，超溫過熱也加速了爐管表面的氧化，使管壁變薄，這些因素都使?fàn)t管實(shí)際承受的環(huán)向應(yīng)力增大。可見，超溫過熱條件下運(yùn)行的爐管由于宏觀形貌和微觀組織的變化，使得管壁實(shí)際承受的環(huán)向應(yīng)力增大，而自身的強(qiáng)度卻下降，當(dāng)作用在管壁上的環(huán)向應(yīng)力超過管材的許用應(yīng)力時(shí)，將導(dǎo)致爐管爆破。

3 防止氧化皮堆堵爆管的措施

3.1 爐管選材及其熱處理

3.1.1 管材選擇

爐管抗蒸汽氧化性能的好壞主要取決于其管內(nèi)表面能否形成穩(wěn)定致密的金屬氧化物保護(hù)膜。Cr2O3是高溫下熱力學(xué)性能較穩(wěn)定且致密的氧化物，當(dāng)管材合金中的Cr含量達(dá)到20%時(shí)，合金表面就會(huì)形成一層穩(wěn)定致密的Cr2O3保護(hù)膜［5-6］，大大增強(qiáng)了其抗高溫蒸汽氧化的性能。因此，在選擇鍋爐管材時(shí)，對(duì)布置在高溫?zé)焻^(qū)的管屏，應(yīng)考慮采用含Cr量較高的TP347HFG、Super304H等合金鋼。

3.1.2 管材熱處理

在奧氏體鋼中，Cr主要沿晶界擴(kuò)散到表面形成氧化物保護(hù)膜，所以晶粒尺寸和表面變形所致的缺陷成為蒸汽氧化行為的主要影響因素。

a.采用特定的熱加工和熱處理工藝，使管材晶粒再細(xì)化，以加快Cr離子通過晶界的擴(kuò)散遷移，加速形成致密的Cr2O3保護(hù)膜。

b.對(duì)爐管內(nèi)壁進(jìn)行噴丸處理，可在其內(nèi)表面形成富Cr氧化層，有利于致密的Cr2O3保護(hù)膜的形成。

c.對(duì)爐管內(nèi)壁鍍Cr或用鉻酸鹽溶液在305℃條件下循環(huán)48 h，也能減緩管內(nèi)氧化皮的生成和剝離［6］。

3.2 改進(jìn)管屏設(shè)計(jì)

a.適當(dāng)增大管屏彎管的彎曲半徑，以減小氧化皮剝落后在管內(nèi)堆積堵塞的可能性。

b.根據(jù)對(duì)同類型鍋爐事故的統(tǒng)計(jì)分析，在經(jīng)常超溫爆管的部位增加壁溫測(cè)點(diǎn)和超限報(bào)警裝置，擴(kuò)大對(duì)爐管運(yùn)行溫度的監(jiān)控范圍。

c.適當(dāng)降低末級(jí)過熱器和高溫再熱器壁溫超限報(bào)警值，以便于運(yùn)行人員提前進(jìn)行調(diào)整，降低超溫風(fēng)險(xiǎn)。

d.在高溫管屏進(jìn)口段加裝節(jié)流圈，以均衡各爐管間的流量分配，減小管屏間和同屏各管間的熱偏差，避免爐管長(zhǎng)期超溫運(yùn)行。

3.3 鍋爐帶旁路啟動(dòng)

使鍋爐帶旁路啟動(dòng)，利用旁路盡早建立較大的啟動(dòng)蒸汽流量，一方面可以減緩啟動(dòng)過程中爐管的溫度變化，減少爐管內(nèi)氧化皮的大量剝落；另一方面可以對(duì)過熱器和再熱器進(jìn)行充分吹掃，將鍋爐啟停過程中剝落的氧化皮沖走。

3.4 運(yùn)行中吹掃氧化皮

a.在機(jī)組啟動(dòng)負(fù)荷升到500 MW以上時(shí)，以20 MW／min的變負(fù)荷率多次快速升降負(fù)荷，造成蒸汽的不穩(wěn)定流動(dòng)，以利于沖散氧化皮［7］。

b.停爐過程中可采用熱爐放水，并利用汽輪機(jī)真空系統(tǒng)排盡受熱面內(nèi)的蒸汽，利用余熱烘干受熱面，使其內(nèi)側(cè)生成的氧化皮保持干燥、松動(dòng)狀態(tài)，以利于下次啟動(dòng)時(shí)被蒸汽沖走。

c.在大修前的停爐過程中，適當(dāng)增大汽溫波動(dòng)的幅度和速度，以加速氧化皮的脫落，并利用高溫蒸汽流量下的攜帶能力帶走脫落的氧化皮，在檢修時(shí)徹底清理。

3.5 嚴(yán)禁鍋爐超溫運(yùn)行

a.通過合理分配各層燃燒器的燃料、改變?nèi)紵鞯臄[角、調(diào)整二次風(fēng)門的開度、修正中間點(diǎn)的溫度等措施，嚴(yán)格控制主、再熱汽溫及其受熱面金屬溫度在合格范圍內(nèi)。

b.嚴(yán)格按照規(guī)程要求，把鍋爐各受熱面的熱偏差都控制在允許范圍內(nèi)，防止受熱面局部長(zhǎng)期超溫運(yùn)行。

3.6 嚴(yán)格控制溫度變化速率，避免受熱面壁溫大幅波動(dòng)

a.采用等離子點(diǎn)火技術(shù)的鍋爐，啟動(dòng)時(shí)不宜過早投粉，在點(diǎn)火初期應(yīng)先投油助燃，待蒸汽流量達(dá)到100 t／h后再啟磨投粉，以確保溫升均勻，啟動(dòng)過程中升溫速率應(yīng)控制在2℃／min以內(nèi)。

b.機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)過程中，鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)與其它系統(tǒng)同步啟動(dòng)，在爐膛通風(fēng)結(jié)束后應(yīng)立即點(diǎn)火，并盡快增加燃料量，控制受熱面升溫速率為5～6℃／min，防止煙風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)后的長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)制冷卻或升溫升壓速度過慢導(dǎo)致受熱面金屬溫度出現(xiàn)大幅回落［8］。

c.鍋爐啟動(dòng)和正常運(yùn)行中，升、降負(fù)荷應(yīng)平緩，增減燃料和給水量及投退減溫水應(yīng)均勻、緩慢，投粉時(shí)應(yīng)確保各級(jí)減溫水已具備投入條件。如果升、降負(fù)荷的擾動(dòng)造成汽溫和受熱面壁溫的波動(dòng)速率超過5℃／min，應(yīng)適當(dāng)降低機(jī)組的升、降負(fù)荷速率或暫停升、降負(fù)荷，待溫度調(diào)整穩(wěn)定后再繼續(xù)進(jìn)行變負(fù)荷操作。

d.鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，一、二級(jí)減溫水、燃燒器擺角和再熱器煙氣擋板應(yīng)處于可調(diào)整的中間位置，再熱器事故減溫水應(yīng)處于良好的備用狀態(tài)，隨時(shí)應(yīng)對(duì)爐膛熱工況擾動(dòng)，防止受熱面壁溫大幅波動(dòng)和超溫。

e.汽溫調(diào)節(jié)盡量采用調(diào)整燃燒器擺角和再熱器煙氣擋板，當(dāng)需要噴水減溫時(shí)，應(yīng)優(yōu)先使用一級(jí)減溫水，慎用二級(jí)減溫水，并通過改進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減溫水提前操作，嚴(yán)禁減溫水脈沖式變化。

f.機(jī)組正常停機(jī)宜采用滑停方式，滑停過程中蒸汽的溫降速率應(yīng)控制在2℃／min以內(nèi)，并注意及時(shí)調(diào)整各級(jí)減溫水量。

4 注意事項(xiàng)

a.在燃燒配風(fēng)調(diào)整中，若SOFA風(fēng)的水平反切角度未合理調(diào)整或因考慮煤粉燃盡問題而把最上面的幾層SOFA風(fēng)門關(guān)小甚至全關(guān)，將會(huì)削弱SO?FA風(fēng)的消旋作用。

b.鍋爐吹灰蒸汽溫度不能太低，以免鍋爐受熱面因受到劇烈冷卻而造成氧化皮提前脫落。

c.嚴(yán)禁鍋爐爆管后繼續(xù)運(yùn)行或緊急停爐。

d.鍋爐MFT后吹掃風(fēng)量應(yīng)控制在30%以內(nèi)，并嚴(yán)格控制吹掃時(shí)間，當(dāng)吹掃完成后，應(yīng)及時(shí)停運(yùn)送、引風(fēng)機(jī)；盡量避免通風(fēng)冷卻，若因鍋爐搶修需要，應(yīng)在爐膛溫度降至180℃以下方可進(jìn)行通風(fēng)（冬季環(huán)境溫度較低，應(yīng)等爐膛溫度降至150℃才能進(jìn)行通風(fēng)）；在機(jī)組強(qiáng)制冷卻搶修后，應(yīng)進(jìn)行受熱面氧化皮檢查清理。

e.機(jī)組采用滑參數(shù)停機(jī)時(shí)，應(yīng)特別注意低負(fù)荷時(shí)汽溫的控制，在停機(jī)最后階段應(yīng)注意控制煤倉(cāng)的煤位，當(dāng)煤倉(cāng)燒空時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整其余磨的出力，并維持一次風(fēng)壓等參數(shù)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

超臨界直流鍋爐高溫管屏蒸汽氧化不可避免，重要的是有效減緩氧化皮的生成，并避免氧化皮的集中剝離。氧化皮的生成速度主要取決于金屬管壁溫度，鍋爐超溫運(yùn)行將會(huì)使?fàn)t管蒸汽氧化的速度加快，而氧化皮的剝落主要取決于氧化皮與金屬基體的溫差，爐管壁溫的急劇變化將會(huì)加劇氧化皮與基體金屬間的溫差，導(dǎo)致管內(nèi)氧化皮大面積脫落。因此，控制爐管壁溫是治理鍋爐高溫管屏蒸汽氧化的關(guān)鍵。

［1］ 何 磊，劉志杰，寧獻(xiàn)武.超超臨界1 000 MW機(jī)組給水加氧處理探討［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（1）：17-21.

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Approach and Analysis on Steam Oxidation of High Temperature Tube Panels for 600 MW Supercritical Pressure Boilers

GAO Qing?lin1，CHEN Dun?bing2，HUANG Qing?zhuan1，ZHANG Ren?jin1
（1.Fujian Electric Vocational and Technical College，Quanzhou，F(xiàn)ujian 362000，China；2.Fujian Huadian Kemen Power Generation Company Limited，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350512，China）

The paper analyzes the mechanism and influence factors of steam oxidation and oxide coating peeling on high temperature tube panels of 600 MW supercritical pressure boiler.It summarizes the harm to the safe operation of the boiler because of causing，peeling off and accumulation jam of oxide coating.It also puts forward the precaution and control measures to reduce the oxide coating production，preventing the centralized peeling of oxide coating，avoiding explosion of the high temperature tube panel due to oxide coating accumulation jam，with aspects to the selection of tube material，to the design and operation of the boiler equipment etc.

Supercritical pressure boiler；High temperature tube panel；Steam oxidation；Tube cracking

TK229.2

A

1004-7913（2015）03-0038-04

福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技項(xiàng)目（2013KY003）

高清林（1965—），男，碩士，教授，主要從事火電廠金屬材料教學(xué)與科研工作。

2014-11-25）