劉彩利

（西安外事學(xué)院工學(xué)院計(jì)算機(jī)系，陜西西安710077）

雖然超超臨界火電機(jī)組在我國(guó)的普及率較高，但相比于發(fā)達(dá)國(guó)家而言依然存在很多不足之處，其中以鍋爐超溫爆管最為突出，其對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全性造成嚴(yán)重影響。歸結(jié)其原因，此類(lèi)型鍋爐與傳統(tǒng)機(jī)組具有明顯的差異性，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大多依賴(lài)于外部進(jìn)口，而忽視了自主研發(fā)這項(xiàng)重要的工作，總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在超臨界火電機(jī)組的發(fā)展依然停留在模仿階段，諸如鍋爐過(guò)熱器等重要部件更是缺乏核心技術(shù)。

1 鍋爐氧化皮產(chǎn)生的原因

對(duì)于超超臨界機(jī)組而言，其在長(zhǎng)期使用過(guò)程中普遍會(huì)出現(xiàn)受熱面氧化皮現(xiàn)象，又以氧化鐵這一成分最為突出。受高溫氧化的影響，加之材料內(nèi)部組織分布等因素的作用，將會(huì)帶來(lái)明顯的高溫氧化現(xiàn)象，工業(yè)鍋爐的結(jié)構(gòu)構(gòu)成見(jiàn)圖1。關(guān)于氧化皮的產(chǎn)生途徑，主要有以下兩種：

（1）受加工制造的影響，受熱面管會(huì)與周邊空氣中的氧等物質(zhì)發(fā)生持續(xù)性反應(yīng)，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生氧化皮。在此方式下，氧化皮可細(xì)分為三層，其各層對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)分別為FeO、Fe3O4以及Fe2O3?？偨Y(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，F(xiàn)eO 與金屬基體具有緊密的連接關(guān)系，此結(jié)果表現(xiàn)出明顯的疏松特性，同時(shí)伴有大量空洞的存在，肉眼可見(jiàn)黑色斑點(diǎn)。受溫度影響，極容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由此生成Fe3O4以及Fe，此時(shí)將會(huì)發(fā)生氧化皮脫落現(xiàn)象。用化學(xué)表達(dá)式表示為

（2）受長(zhǎng)期使用的影響，熱管面會(huì)持續(xù)與周邊環(huán)境中的水蒸氣以及鐵物質(zhì)相接觸，由此發(fā)生化學(xué)變化進(jìn)而形成雙層氧化膜。對(duì)于原生膜而言，是水蒸氣與鐵直接反應(yīng)的結(jié)果，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生黑色的FeO；對(duì)于延展膜而言，是在所形成的FeO 基礎(chǔ)上進(jìn)一步與環(huán)境中的水蒸氣所發(fā)生的反應(yīng)，此時(shí)將會(huì)形成黑色的Fe3O4，并不斷的發(fā)生氧化反應(yīng)，最終持續(xù)產(chǎn)生Fe2O3。對(duì)高溫環(huán)境下的蒸汽性質(zhì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其具有不導(dǎo)電性，因此所產(chǎn)生的三種物質(zhì)只是單純的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。在此過(guò)程中，反應(yīng)均會(huì)釋放出氫氣，基于對(duì)過(guò)熱器中氫氣含量的研究，可以進(jìn)一步得出對(duì)應(yīng)的氧化速度。

在世界范圍內(nèi)，對(duì)于超臨界以上規(guī)格的機(jī)組而言，不可避免會(huì)出現(xiàn)受熱面管氧化皮現(xiàn)象，而這也是行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的技術(shù)難點(diǎn)，尤其是長(zhǎng)期處于高溫運(yùn)行環(huán)境下時(shí)，此現(xiàn)象更為明顯。這也從側(cè)面反映出金屬材料對(duì)于大型機(jī)組的不兼容性。因此，在鍋爐設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)全面考慮所使用材料的熱強(qiáng)性，研究表明若采用粗晶不銹鋼，一旦現(xiàn)場(chǎng)溫度超過(guò)570 ℃，便會(huì)對(duì)材料造成明顯影響，此時(shí)會(huì)表現(xiàn)出明顯的氧化特性；而當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)溫度介于600～620 ℃時(shí)，將會(huì)顯著提升氧化速率，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致不銹鋼材料厚度急劇增大的現(xiàn)象。事實(shí)上，鍋爐內(nèi)壁的蒸汽氧化現(xiàn)象無(wú)法避免，隨著其參數(shù)的增高，對(duì)應(yīng)的氧化現(xiàn)象也愈發(fā)明顯。

圖1 工業(yè)鍋爐的系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 鍋爐氧化皮剝落的危害

一旦鍋爐出現(xiàn)氧化皮現(xiàn)象，在長(zhǎng)期使用中必然伴隨著剝落現(xiàn)象的產(chǎn)生，此時(shí)將會(huì)造成如下危害：

（1）當(dāng)氧化皮出現(xiàn)剝落現(xiàn)象后，便會(huì)對(duì)末級(jí)過(guò)濾器等各類(lèi)內(nèi)部設(shè)備造成影響，當(dāng)堵塞嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)超溫爆管現(xiàn)象。

（2）受氧化皮剝落的影響，當(dāng)超超臨界機(jī)組處于啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，極容易對(duì)高旁門(mén)的嚴(yán)密性造成影響。

（3）當(dāng)機(jī)組處于持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，一旦發(fā)生了氧化皮剝落現(xiàn)象，極容易對(duì)蒸汽管的正常運(yùn)行造成影響，進(jìn)而出現(xiàn)閥門(mén)內(nèi)漏等現(xiàn)象。

（4）氧化皮碎片不僅會(huì)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成阻塞現(xiàn)象，還容易增加對(duì)閥桿、閥套等部件的磨損程度，在長(zhǎng)期的持續(xù)磨損狀態(tài)下便會(huì)造成主汽門(mén)卡澀現(xiàn)象。

（5）剝落后會(huì)形成大量的碎片，此時(shí)會(huì)對(duì)葉片造成嚴(yán)重的侵蝕，其中又以末端葉片最為明顯；與此同時(shí)，水汽質(zhì)量也將受到影響。

對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)可知，氧化皮剝落會(huì)對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重干擾，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)爆管等現(xiàn)象?；谔嵘藛T與設(shè)備安全性的目的，迫切需要設(shè)計(jì)一套合理的防爆管措施。

3 項(xiàng)目的研究方法及實(shí)施方案

3.1 鍋爐壽命管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

此處以B/S 結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，由此搭建出一個(gè)可行的機(jī)組壽命管理系統(tǒng)，其中又具體涉及鍋爐管以及鍋爐部件這兩大因素，其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。所研發(fā)出的壽命管理系統(tǒng)可以對(duì)電廠維修模式進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，并深化管理機(jī)制，而要想實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，除了設(shè)計(jì)中心的努力外，還需要得到電廠的積極配合。以技術(shù)為依托，以實(shí)際環(huán)境為參考，由此實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的高效結(jié)合。

圖2 部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 壽命的在線實(shí)時(shí)評(píng)估

鍋爐的整體壽命受其內(nèi)部多個(gè)關(guān)鍵部位的影響，而此類(lèi)部件的性能又與溫度、壓力有著密切的關(guān)聯(lián)。在部件設(shè)計(jì)之初，盡管已經(jīng)參考了實(shí)際環(huán)境確定出了大致的耐用壽命，但在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中溫度與壓力均會(huì)發(fā)生不可預(yù)計(jì)的變化，此時(shí)各個(gè)部件的壽命具有高度的不確定性，而正是這種無(wú)法把控的因素在很大程度上加大了火電廠的安全隱患，一旦出現(xiàn)事故便會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)此，應(yīng)對(duì)使用過(guò)程中的溫度與壓力這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行密切的監(jiān)測(cè)，由此全面獲悉其變化特性。

3.3 圖形化的受熱面溫度場(chǎng)分布

通過(guò)對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布特性的分析，可以較為準(zhǔn)確地獲悉爐膛內(nèi)的實(shí)際燃燒狀況。而要想獲悉爐內(nèi)溫度場(chǎng)的具體信息，就必須對(duì)受熱面的溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行分析。換言之，受熱面溫度場(chǎng)分布是整個(gè)過(guò)程的核心環(huán)節(jié)?；趫D形化的溫度場(chǎng)分布特性，可以為相關(guān)技術(shù)人員提供參考，由此對(duì)運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，避免長(zhǎng)時(shí)間超溫現(xiàn)象，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造條件。就長(zhǎng)期跟蹤分析角度而言，基于對(duì)大量溫度場(chǎng)分布的分析，相關(guān)人員可以對(duì)內(nèi)部各個(gè)部件的運(yùn)行狀況做以深度的掌握，并采取針對(duì)性的方式對(duì)其進(jìn)行檢修。

3.4 有效的超限統(tǒng)計(jì)及預(yù)警

應(yīng)使用設(shè)備對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)生緊急情況時(shí)應(yīng)在第一時(shí)間采取解決措施。通常來(lái)說(shuō)，諸如溫度、壓力、含氧量等均是橫梁鍋爐核心部件的重要指標(biāo)，基于自主研發(fā)的預(yù)警系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠鍋爐運(yùn)行狀況的密切監(jiān)控，以預(yù)先設(shè)定的極限范圍為參考，當(dāng)某一參數(shù)超出該范圍時(shí)便會(huì)做出預(yù)警。預(yù)警系統(tǒng)可以持續(xù)獲得鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)狀況，由此進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析工作，此時(shí)技術(shù)人員可以更為全面地掌握鍋爐燃燒工況，進(jìn)而采取針對(duì)性措施進(jìn)行檢修，做好超溫受熱面的維護(hù)工作，消除管段隱患。經(jīng)過(guò)此環(huán)節(jié)后，可以有效避免因材質(zhì)老化等原因而造成的爆管事故，確保機(jī)組能夠持續(xù)正常運(yùn)行。

此外，預(yù)警系統(tǒng)在傳感器的作用下還能夠?qū)崟r(shí)掌握鍋爐管壁的溫度變化情況，并自動(dòng)對(duì)內(nèi)壁氧化皮應(yīng)變展開(kāi)精確計(jì)算，具備氧化皮預(yù)警功能，有助于技術(shù)人員事先對(duì)鍋爐狀況做以了解。

4 鍋爐壽命管理系統(tǒng)的發(fā)展展望

對(duì)于機(jī)組而言，要想實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定運(yùn)行，就必須杜絕受熱面出現(xiàn)管道氧化皮問(wèn)題，否則不僅會(huì)給機(jī)組帶來(lái)?yè)p失，還極容易引發(fā)安全事故。但事實(shí)上，氧化皮問(wèn)題涉及的因素很多，除處理機(jī)組鍋爐、金屬材質(zhì)等因素外，還與相應(yīng)的檢測(cè)手段有關(guān)，一旦檢測(cè)方式有所落后，將會(huì)加劇氧化皮問(wèn)題的嚴(yán)重性。但我國(guó)在此方面依然有很大的進(jìn)步空間，相應(yīng)的檢測(cè)手段依然需要得到技術(shù)深化。此外，我國(guó)行業(yè)內(nèi)對(duì)于氧化皮問(wèn)題的重視程度不足，難以對(duì)其產(chǎn)生正確的認(rèn)知，這自然缺乏對(duì)其形成機(jī)理的掌握能力，不具備事先制定解決策略的能力，一旦出現(xiàn)氧化皮問(wèn)題后將無(wú)所對(duì)策，此時(shí)機(jī)組的運(yùn)行性能受到嚴(yán)重制約，最終嚴(yán)重抑制了整個(gè)電力行業(yè)的發(fā)展。因此，有必要對(duì)鍋爐高溫受熱面管道的氧化皮問(wèn)題進(jìn)行研究，充分掌握其生成與剝落機(jī)理，由此制定出針對(duì)性的防治措施；在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行密切的監(jiān)控，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定性。

5 氧化皮清理技術(shù)措施

（1）安排專(zhuān)門(mén)的技術(shù)人員構(gòu)成防磨防爆小組，由此針對(duì)性地對(duì)受熱面的溫度狀況進(jìn)行全面檢測(cè)，提出其中存在的問(wèn)題并加以解決，最終對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)收。

（2）安排專(zhuān)門(mén)的技術(shù)人員，當(dāng)出現(xiàn)氧化皮后應(yīng)對(duì)其進(jìn)行割除處理。

（3）在進(jìn)行管道割卸工作時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)新管道進(jìn)行位置與尺寸標(biāo)記工作，并對(duì)其進(jìn)行復(fù)核，而后替換舊管；對(duì)割下的舊管尺寸進(jìn)行測(cè)量并做好記錄工作，而后將其運(yùn)輸至檢修場(chǎng)；采用坡口機(jī)設(shè)備完成管口坡口的制作工作，通常應(yīng)設(shè)置為“V”型。其對(duì)應(yīng)角度以32°為宜，上下不可超過(guò)2°的誤差范圍，對(duì)管口內(nèi)外區(qū)域進(jìn)行磨光處理，由此產(chǎn)生金屬光澤。當(dāng)做好坡口制作工作后，應(yīng)使用記號(hào)筆對(duì)其進(jìn)行編號(hào)處理，確保其與舊管編號(hào)完全一致。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，本文以超超臨界機(jī)組為背景，在此基礎(chǔ)上提出了鍋爐管內(nèi)氧化皮堵塞預(yù)警系統(tǒng)，基于自動(dòng)化的方式對(duì)受熱面的溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，由此可以采取針對(duì)性措施，從根本上做好氧化皮的預(yù)防工作，在節(jié)省人力物力的同時(shí)還提升了電廠的運(yùn)行效率。