吉林電力股份有限公司長春熱電分公司 鄧 欣

1 金屬高溫氧化及氧化皮的形成及剝落

金屬在使用期間受溫度的作用表面可能會被侵蝕，或是由于溫度過高發(fā)生氧化反應，一定程度上降低金屬應有的性能。金屬表面的性質同金屬的惡化程度有直接關系，有關運行維護人員需要慮的問題便是如何采取有效措施延緩金屬惡化的程度，以及在金屬表面形成防護層能否保證金屬受侵蝕后性能不發(fā)生變化。處于火電廠環(huán)境中鍋爐的爐管最易發(fā)生氧化皮脫落，而一旦發(fā)生這種問題將會堵塞爐管，從而增加火電廠運行過程中的安全隱患。從火電廠發(fā)生意外事故的整體來看，由于氧化皮脫落造成的事故所占比例巨大。為能降低安全風險系數(shù)，避免產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟損失，保證運行維護人員的生命安全，需要將處理此類事情放在重要位置。

另外，大部分鍋爐在燃燒過程中并沒有安裝保溫回熱的裝置，導致大量的熱量自然揮發(fā)掉。而浪費掉的這部分熱量需額外借助煤炭能源將其補回，一定程度上加劇了能源消耗。此外由于火電廠中的鍋爐普遍存在漏風漏灰問題，導致其很難做到節(jié)約能源，無法降低能源消耗。如果不仔細去分析，這個事情看上去并不是十分嚴重，但要對其進行深入研究，就會發(fā)現(xiàn)鍋爐存在漏灰問題，就代表著有一部分熱量沒有得到優(yōu)化利用。風順著漏風地方進入鍋爐降低鍋爐內部溫度，從而導致運行維護人員需添加額外的煤粉來補充溫度，一定程度上造成能源的不合理利用[1]。此外，由于鍋爐漏風將會造成煤粉無法均勻燃燒，即便是所選擇的煤炭品質上乘也無法改變這一問題。這與燃燒質量不好的煤粉起到異曲同工之妙，都是無法保證火電廠實現(xiàn)能源的合理配置。盡管需補充煤粉數(shù)量對每天燃燒數(shù)量所占比例甚小，但積少成多，就會發(fā)現(xiàn)資源浪費極其嚴重。

火電廠燃煤過程中一般都選擇低污染、高燃煤效率且容量大的超臨界機組燃煤，且它與我國節(jié)能減排方針政策相符，已在火電廠建設中得到廣泛應用。隨著發(fā)電機組容量不斷擴展，蒸汽參數(shù)的變大，在高溫受熱面上面已開始應用抗氧化且高強度的耐熱鋼材料。由于火電廠中的鍋爐屬于不間斷的使用，在此過程中受熱面管由于種種原因作用將會剝落氧化皮，從而造成鍋爐管堵塞造成爆管問題[2]，嚴重情況下還將磨損葉輪、閥門，降低蒸汽水的質量。所以說現(xiàn)階段在對火電廠安全進行研究過程中，如何解決金屬氧化皮剝落問題已受到越來越多重視。

從研究上看，相關學者大都集中在研究鍋爐金屬氧化皮是如何形成的，卻很少根據(jù)鍋爐的使用材質、生產(chǎn)運行等方面進行具體分析?？偟膩碇v尚未采取有效措施預防金屬氧化皮剝落問題。上世界二十年代末，德國科學家發(fā)現(xiàn)在高溫水汽環(huán)境下金屬很容易發(fā)生氧化反應，但水汽中的氧同溶解氧兩者間沒有任何關系。到七十年代，通過進一步的研究可知，水汽和鐵元素兩者間發(fā)生化學反應能直接形成氧化物，具體原理如下：

火電廠實際運轉過程中，鍋爐在正式被應用前，蒸汽中含有大量的氫元素，側面驗證了上述結論的正確性[3]。但當鍋爐被投入使用后氫氣含量會不斷減少，這就意味著鍋爐金屬表面開始逐漸形成氧化皮，從出現(xiàn)到最終形成一般不多于二十個小時。在此期間水中所含的氧氣不能夠為種種化學反應提供所需的氧。在蒸汽環(huán)境下金屬屬于自然而然的形成氧化皮，在反應最開始階段，氧化皮本身具有致密性，一般情況下是雙層膜結構，它能有效阻止氧化反應的進一步繼續(xù)。但如發(fā)現(xiàn)有其他外力因素的干擾，如壓力波動或是超溫，此時金屬的氧化皮將變?yōu)槎鄬幽そY構[4]。隨著時間的推移，氧化皮的厚度逐漸增加、最終不堪重負而脫落。一般鍋爐的出口段及U 型立式管上部是脫落最容易的地方，這是因為此區(qū)域的溫度較高，皮層厚度大，受自重的影響拉應力加強。一旦溫度發(fā)生變化，這個區(qū)域的拉伸隨之發(fā)生變動，導致金屬體和氧化皮之間出現(xiàn)明顯松動，最終造成氧化皮脫落。

2 鍋爐氧化皮脫落原因及造成的影響

火電廠鍋爐在運行期間蒸汽溫度可高達六百度左右，剛好符合蒸汽氧化的范圍。這時水蒸氣就會自然分解，然后同鍋爐的金屬離子發(fā)生化學反應，也就造成金屬氧化皮。隨著高溫時間的延長，金屬管壁就會一直處于氧化狀態(tài)，最終產(chǎn)生大面積的氧化皮。一旦氧化皮的厚度達到一定數(shù)值后便會自然而然進行脫落。以下是造成氧化皮脫落的相關原因[5]。

爐管材質的影響?；痣姀S所使用的鍋爐合金成分豐富多樣，各種成分的抗氧性及溫度上面存在明顯差異。如在設計鍋爐過程中未能考慮這些條件，將導致爐管溫度在很長時間超過抗氧化溫度，導致其鍋爐氧化速度加快，氧化皮的厚度將會超出一定標準從而剝落；管壁溫度的影響。對于氧化皮發(fā)生剝落的鍋爐或者是出現(xiàn)安全事故的，通常情況下可以翻閱運行記錄來確定是否由于管壁溫度過高造成。如果鍋爐在運行過程中，其金屬表面溫度超出可接受的溫度，就會迅速進行氧化，從而導致氧化皮厚度不斷增加，等到了某一個厚度值之后，將會發(fā)生氧化皮脫落。

機組啟停過程中產(chǎn)生的熱應力?；痣姀S運行過程中在啟動機組時，一般情況下會承受較大的熱負荷。如果在此過程中水循環(huán)標準達不到相關規(guī)定將會導致爐管保持高溫干燒，從而導致迅速發(fā)生氧化反應。一旦發(fā)生這種現(xiàn)象，通常運行人員會選擇往爐管中噴入溫水的方式進行降溫。盡管這種做法能降低爐管溫度，但卻會造成熱應力，從而致使氧化皮剝落。目前常見的氧化皮脫落現(xiàn)象都是由于這種問題導致的。等機組停止運轉時，熱負荷將會發(fā)生大幅度波動，或是只能借助溫水來保持蒸汽的熱量，導致降低溫度、產(chǎn)生熱應力、剝落氧化皮?？偟膩碚f，機組在啟停過程中溫度的變化會引起熱應力的變動，從而導致氧化皮剝落。

主汽門容易卡澀?；痣姀S運行過程中，為避免機組在運行期間由于大閘停機造成飛車，一般會為火電廠配備汽機高壓主汽閥，它還能在一定程度上保障機組調機安全。如果在火電廠正常運行期間，機組進行甩負荷作業(yè)時主汽閥未能及時關閉，很易在此過程中出現(xiàn)危險。閥桿同主汽閥閥套之間間隔小，一旦鍋爐管受外界因素影響剝落氧化皮，那么它將會卡在間隙當中，從而導致主汽門卡澀。

發(fā)生爆管?；痣姀S中的鍋爐金屬在剝落氧化皮后會堵塞鍋爐管道，導致管道內的蒸汽流通困難，導致由于高溫作用造成管道炸裂。由于高溫造成管道炸裂的意外事故在很多火電廠中都曾發(fā)生過，事發(fā)后為盡可能避免產(chǎn)生不必要的損失通常需借助化學清洗。隨著氧化皮測厚技術的不斷轉型升級，當前火電廠已可根據(jù)鍋爐受熱面的基本狀態(tài)來推斷鍋爐能夠使用的時間。

汽機相關部件受損。鍋爐過熱器和再熱器上面的金屬氧化皮一般都會跟隨蒸汽進入汽機中，受汽機噴嘴的影響速度不斷上升從而產(chǎn)生動力。在此過程中，如和汽機中的動葉或噴嘴發(fā)生接觸將會損害葉片，一定程度上降低汽機運作效率，葉片強度隨之發(fā)生改變，嚴重情況下可能導致葉片直接斷裂；增加水蒸氣中鐵元素含量。鍋爐金屬氧化皮剝落過程中，一些細小顆粒會被高速運轉的水蒸汽帶出去，等到同汽輪機上葉片發(fā)生接觸后顆粒將會被再次破碎，并會促使葉片中的沖蝕物體進入凝汽器里。而那些細小顆粒會四處擴散，成為熱力設備結構當中的一份子；造成鍋爐受熱面溫度超出一定范圍。同金屬木材之類的材料相比，鍋爐金屬氧化皮的導熱系數(shù)偏低，鍋爐管壁在產(chǎn)生氧化皮后將會增加鍋爐管道中的導熱熱阻，進一步促使金屬管道升溫。

3 防止鍋爐金屬氧化皮剝落的有效措施

將鍋爐運行溫度控制在一定的范圍內。通過對鍋爐金屬氧化皮形成、脫落的原因分析可知，為避免在短時間鍋爐金屬部位形成氧化皮，首要措施是保證整個火電廠運行期間溫度得到有效管控。不管是主要蒸汽產(chǎn)生的溫度值還是其他方面產(chǎn)生的溫度，都需將其控制在合理范圍內，從而保證鍋爐管道壁溫度不會在運行過程中發(fā)生較大變化。一旦在鍋爐運行過程中發(fā)現(xiàn)鍋爐管道壁溫度超出既定范圍，就需在第一時間采取措施調整燃燒。如這種做法不起作用，就應一定程度上降低中間點的溫度，從而保證整體溫度適中。通過這樣的措施，能避免由于鍋爐受熱面溫度過高而造成金屬氧化皮脫落。

合理管控鍋爐運行的開始與停止。當啟動機組后需嚴格遵守相關步驟規(guī)定，把控機組整體的溫度，最大程度上降低機組變化頻率，防止發(fā)生緊急停運。監(jiān)視系統(tǒng)運行的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)運行問題及時采取有效措施解決問題，盡可能防止氣溫、壓強等發(fā)生過大的變化。鍋爐運行過程中需有效管控蒸汽的溫度，確保溫度變化在可控范圍內。將蒸汽溫度變化速率標準降低，從而有效避免鍋爐管道溫度變化過大造成剝落氧化皮。此外鍋爐內部最好不要使用太多溫水，避免鍋爐內氣溫產(chǎn)生劇烈波動。

做好清理氧化皮工作。維護人員需及時查看鍋爐內部氧化皮堵塞情況，從而確保在第一時間清理產(chǎn)生的氧化皮。從全局出發(fā)，在防磨爆體系中添加監(jiān)測氧化皮工作，只要是存在高溫受熱面問題就應進行檢查。在檢查過程中，對堆積過多氧化皮的管道應及時進行切割。在進行機組清理工作過程中，可借助氧化皮檢測儀器進行全方位檢測。另外射線檢驗也是一種有效措施；做好溫度檢測工作。需采取一定手段避免機組運行過程中溫度超過限定范圍，提前制定相應的防溫措施，加大金屬超溫研究力度。此外在機組內部需采取必要手段保證鍋爐管道壁檢測溫度工作有序進行。在此過程中應確保檢測人員人身安全。鍋爐運行過程中，需實時監(jiān)控鍋爐受熱面溫度變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)鍋爐溫度超出合理范圍應及時尋找解決辦法。

提高鍋爐材質的抗氧性能。鍋爐氧化皮脫落同鍋爐材質有著一定關系，一般T23含量較多的鍋爐管剝落氧化皮發(fā)生幾率更高?？蓪㈠仩t材質更換為耐熱性能良好的T91材質；控制鍋爐金屬受熱面溫度。為保證鍋爐可充分燃燒，需優(yōu)化改進煤粉精細度、調整燃燒器相關結構；將吹灰器安裝在鍋爐爐膛內部能有效改善燃燒器的使用狀況，擴大鍋爐的受熱面積，從而保證鍋爐金屬受熱面的溫度保持在一定的范圍內；優(yōu)化金屬結構。鍋爐的具體材質同氧化皮的形成于剝落有著很大聯(lián)系，為此需對其進行優(yōu)化。一般來講，將鍋爐受熱面的材質換成T22這種氧化性較高的材質，能在一定程度上降低氧化皮剝落的概率。在清理金屬氧化皮時可選擇往水中加氟的方法，能有效提高氧化皮的穩(wěn)定性。

總之，火電廠鍋爐在運行過程中受多方面因素的影響形成氧化皮，并隨著溫度等條件變化導致氧化皮剝落，在此過程中會在一定程度上損壞鍋爐設備。為此要求運行維護人員立足于現(xiàn)實情況，選擇切實可行的解決措施，從而保證火電廠安全運行。