劉文

摘 要：本文介紹了華能威海發(fā)電廠末級(jí)再熱器氧化皮產(chǎn)生的原因，分析了氧化皮的生成機(jī)理和剝離機(jī)理，論述了氧化皮剝離對(duì)機(jī)組運(yùn)行的危害性，提出了一些防范措施。

關(guān)鍵詞：氧化皮;爆管;剝落原因;超臨界機(jī)組;防范措施

中圖分類號(hào)：TM621.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）20-0072-03

Abstract： This paper introduces the causes of the oxide scale of the final reheater of Huaneng Weihai Power Plant， analyzes the formation mechanism and peeling mechanism of oxide scale， discusses the harmfulness of oxide scale peeling to the operation of the unit， and puts forward some preventive measures.

Keywords： oxide scale; tube explosion; cause of spalling; supercritical unit; preventive measures

近年來，隨著超（超）機(jī)組鍋爐運(yùn)行時(shí)間的增長，末級(jí)再熱器的高溫氧化問題越來越突出，由高溫受熱面管內(nèi)壁蒸汽氧化所引起的氧化層剝落造成管子堵塞爆管的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行[1-2]。當(dāng)前，必須采取有效措施控制其生長速率及剝落速率，才能降低鍋爐非停。本文結(jié)合華能威海電廠680 MW超臨界機(jī)組實(shí)際情況，分析鍋爐高溫受熱面管氧化皮集中剝落原因，提出防止氧化皮集中剝落的預(yù)防措施。

1 設(shè)備及爆管情況簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備情況簡(jiǎn)介

華能威海電廠三期工程（#5、#6機(jī)組）2×680 MW鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)三菱重工業(yè)株式會(huì)社技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造的超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐。鍋爐技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 末級(jí)再熱器結(jié)構(gòu)

末級(jí)再熱器結(jié)構(gòu)如表2所示。入口集箱尺寸為[Φ]610 mm×55 mm，材質(zhì)為SA355-P22。末再蛇形管共70片，每片由11根管組成，其材質(zhì)為SA-213TP347、Super304和SA213TP310HCbN。高再出口集箱尺寸為[Φ]711 mm×65 mm，材質(zhì)為SA355P91。再熱蒸汽管尺寸為[Φ]914 mm×47 mm，材質(zhì)為SA-355P92。

1.3 爆管情況簡(jiǎn)介

2012年7月首次因氧化皮脫落堆積發(fā)生爆管，投產(chǎn)發(fā)電只有7 000 h左右，至2014年底，已經(jīng)發(fā)生因氧化皮脫落堆積泄漏爆管4次，氧化皮脫落堆積量最多時(shí)單根管內(nèi)重達(dá)1 022 g（見圖1）。2012年7月，停機(jī)爐內(nèi)檢查情況發(fā)現(xiàn)末級(jí)再熱器爆口（見圖2），爆口為喇叭狀，長度為62 mm，寬度為26 mm，端面光滑，破口兩邊為撕裂狀，為短期超溫爆口特征;2014年5月，高再爆管爆口未全面爆開（見圖3），長度為24 mm，爆口附近有眾多平行的軸向裂紋，為長期超溫爆口特征。

1.4 爆管原因分析

鍋爐受熱面內(nèi)壁金屬溫度高于金屬適用抗氧化溫度是造成鍋爐管氧化皮快速生長的最主要因素[3]。鐵和鋼外表面出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，原因是含有鐵元素的氧化鐵和水反應(yīng)，生成Fe3O4并放出氫。

[3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2↑] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

當(dāng)鐵和鋼的溫度不大于570 ℃時(shí)，生成的氧化膜由Fe3O4和Fe2O3組成，F(xiàn)e3O4和Fe2O3都比較致密（尤其是Fe3O4），氧化層形成，因而可以保護(hù)鋼材，以免進(jìn)一步氧化;當(dāng)鐵和鋼超過570 ℃時(shí)，氧化膜由Fe3O4、Fe3O4、FeO三層組成（FeO在最內(nèi)層），即氧化皮主要由FeO組成，F(xiàn)eO是不致密的，隨著溫度的升高，氧化過程加劇，一定高溫下，F(xiàn)eO被氧化成Fe3O4，溫度越高，氧化還原程度越明顯，內(nèi)外層的擴(kuò)散速度差是造成氧化皮空洞的主因。由于溫度的影響加劇了空洞和氧化皮的生成（見圖4），內(nèi)層鉻含量高，內(nèi)層擴(kuò)散速度低，外層擴(kuò)散速度慢。

Fe3O4和含鉻氧化物等各層之間因膨脹系數(shù)差異所產(chǎn)生的過大熱應(yīng)力是導(dǎo)致氧化皮發(fā)生剝落的主要因素，氧化皮越厚，溫度變化越劇烈，則氧化皮剝落的傾向越大。這和煙氣和蒸汽溫度的變化速率、系統(tǒng)壓力變化速率有關(guān)。在機(jī)組升降負(fù)荷、制粉系統(tǒng)切換的過程中會(huì)出現(xiàn)溫度波動(dòng)和壓力波動(dòng)，尤其是機(jī)組啟動(dòng)和停止、停爐冷卻期間，溫度和壓力的變化更為劇烈。溫度和壓力的波動(dòng)均會(huì)造成氧化皮和基材結(jié)合面產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力超過氧化皮的附著力時(shí)，氧化皮發(fā)生脫落。幾種鋼材和氧化物的熱膨脹系數(shù)如表3所示。

1.5 氧化皮剝離有兩個(gè)主要條件

鋼在高溫作用下生長氧化層并達(dá)到一定厚度，奧氏體鋼為0.05～0.14 mm;鐵素體型鋼為0.20～0.30 mm;管子壓力和溫度大幅度變化對(duì)氧化皮產(chǎn)生較大的應(yīng)變作用，啟停機(jī)組的冷卻速率較高，易造成氧化皮大量脫落。

2 預(yù)控措施

2014年4月，華能威海電廠組織全國金屬監(jiān)督專家，召開高溫再熱器氧化皮脫落專題會(huì)議，根據(jù)《高溫氧化皮專題研討會(huì)會(huì)議紀(jì)要》，從以下幾個(gè)方面制定了防范措施。

2.1 運(yùn)行中的措施

2.1.1 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。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)金屬溫度超過允許值，通過降低蒸汽溫度和運(yùn)行方式加以調(diào)整，若蒸汽吹灰無效，要考慮降低機(jī)組的負(fù)荷運(yùn)行;當(dāng)出現(xiàn)金屬溫度普遍超溫卻調(diào)整無效，降負(fù)荷處理仍無法恢復(fù)到允許值以下時(shí)，要逐級(jí)匯報(bào);任何時(shí)候不允許蒸汽參數(shù)和受熱面金屬溫度長時(shí)間超過允許值運(yùn)行。

利用SIS對(duì)鍋爐的金屬溫度和蒸汽超溫情況進(jìn)行定期分析，分析報(bào)告附運(yùn)行月分析報(bào)告中，作為機(jī)組檢修的參考數(shù)據(jù)。

2.1.2 加強(qiáng)受熱面的熱偏差監(jiān)視和調(diào)整，防止受熱面長期超溫運(yùn)行。鍋爐運(yùn)行過程中，再熱器出口蒸汽溫度左右偏差不超過10 ℃，并且運(yùn)行中按照溫度高點(diǎn)控制蒸汽溫度，防止?fàn)t膛工況擾動(dòng)造成受熱面超溫。正常運(yùn)行中，一、二級(jí)減溫水和再熱器煙氣擋板處于可調(diào)整的中間范圍之內(nèi)，減溫水調(diào)節(jié)采用小幅度多次操作，不允許一次大幅度開、關(guān)，盡量控制受熱面溫度周期性波動(dòng)和溫度變化速率，減緩氧化皮脫落。

2.2 機(jī)組停爐過程中采取的防范措施

機(jī)組正?；＿^程中，控制分隔屏、后屏、高過、高再出口蒸汽溫度的變化速率不高于2 ℃/min，執(zhí)行停爐悶爐72 h。

機(jī)組事故停爐過程中，爐膛通風(fēng)10 min后立即停止送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行，并關(guān)閉送風(fēng)機(jī)出口和引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口擋板進(jìn)行悶爐，防止時(shí)受熱面溫度快速降低?？刂聘邷剡^熱器、屏式過熱器、高溫再熱器出口蒸汽溫度和上述受熱面金屬溫度降溫速率不超過3 ℃/min，主、再熱壓降速率不大于0.3 MPa/min;不允許進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，執(zhí)行悶爐時(shí)間大于72 h，預(yù)防機(jī)組停爐過程中產(chǎn)生奧氏體不銹鋼氧化皮脫落。

2.3 機(jī)組啟動(dòng)過程中的防范措施

啟動(dòng)過程中嚴(yán)格控制蒸汽溫度，冷態(tài)啟動(dòng)過程中，溫升速率控制不高于3 ℃/min，機(jī)組并列后控制不高于2 ℃/min。熱態(tài)啟動(dòng)過程中控制屏過、高過、高再溫升速率為5～6 ℃/min，

加強(qiáng)啟動(dòng)過程中疏水的回收和排放管理，防止不合格的輸水進(jìn)入主系統(tǒng)，嚴(yán)格執(zhí)行冷態(tài)沖洗和熱態(tài)沖洗水質(zhì)指標(biāo)的控制。機(jī)組啟動(dòng)階段，在高、低旁開啟前主蒸汽管道、高旁前、主汽門前、再熱器管道、中壓主汽門前疏水要開啟，發(fā)電機(jī)并列后再關(guān)閉上述疏水。

啟動(dòng)過程利用蒸汽的攜帶原理盡量清除沉淀在管內(nèi)的氧化皮，在機(jī)組沖轉(zhuǎn)前，將主汽參數(shù)控制為壓力6 MPa、溫度350～400 ℃，將再熱蒸汽參數(shù)控制為壓力>1.1 MPa、溫度350～400 ℃;保證上述參數(shù)后，盡量提高熱負(fù)荷，開大高低旁，利用大流量的蒸汽攜帶氧化皮，沖洗時(shí)要求每1 h對(duì)凝結(jié)水的品質(zhì)進(jìn)行取樣分析，如果介質(zhì)中的鐵離子含量呈低-高-低后穩(wěn)定時(shí)，表明沖洗效果明顯。

2.4 機(jī)組檢修過程中的防范措施

加強(qiáng)減溫水調(diào)節(jié)門檢修，完善其自動(dòng)化控制。完善受熱面金屬溫度測(cè)點(diǎn)并加強(qiáng)受熱面金屬溫度測(cè)點(diǎn)的維護(hù)，運(yùn)行中利用SIS加強(qiáng)受熱面金屬溫度的趨勢(shì)監(jiān)測(cè)，根據(jù)受熱面金屬溫度變化情況指導(dǎo)停爐后受熱面內(nèi)氧化皮的檢查分析。

機(jī)組大修前可以不采用燜爐方式進(jìn)行停爐，開啟引風(fēng)機(jī)加速冷卻，使生成的氧化皮迅速脫落。氧化皮堆積測(cè)量儀對(duì)所有過熱器、再熱器不銹鋼管U形彎頭進(jìn)行檢測(cè)，利用機(jī)組大修機(jī)會(huì)割管清理。

3 結(jié)論

通過采取上述措施，華能威海電廠有效地消除了氧化皮脫落對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響。截至目前，未發(fā)生因氧化皮脫落堵塞導(dǎo)致再熱器爆管的事故，治理效果明顯。下一步繼續(xù)對(duì)氧化皮進(jìn)行監(jiān)督及治理，以期為該技術(shù)難題的解決提供更多經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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