第十六卷第三期 安徽电气工程职业技术学院学报 ２０１１年９月 Ｖｏ１．１６，Ｎｏ．３ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＮＨＵＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＰＲＯＦＥＳＳＩＯＮＡＬ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＣＯＬＬＥＧＥ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１ １ 超ｌ 界锅炉高温受热面氧化皮脱落原因分析 李斌，陈学进 （国投宣城发电有限责任公司，安徽宣城２４２０５２） 摘 要：简述了锅炉高温受热面氧化皮形成及剥落原因，结合国投宣城发电有限责任公司＃１ 炉末级过热器管氧化皮检测实例，提出预防和控制锅炉高温受热面管氧化皮脱落并堵塞爆管 的对策。 关键词：超临界锅炉；高温受热面；氧化皮 中图分类号：ＴＫ２２３．３ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７２．９７０６（２０１１）０３．００８６．０４ ａｕｓｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｖｅｌａｍｅｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｕｂｅ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｂｏｉｌｅｒ ＬＩ Ｂｉｎ，ＣＨＥＮ Ｘｕｅ ｊｉｎ （ＳＤＩＣ Ｘｕａｎｃｈｅｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｘｕａｎｃｈｅｎｇ ２４２０５２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅ ｏｆ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｖｅｌａｍｅｎ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｕｒ－ ｆａｃｅｓ ｔｕｂｅ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｆｉｎａｌ ｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｒ ｔｕｂｅ ｏｘｉｄｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ＃１． ｂｏｉｌｅｒ ｏｆ Ｘｕａｎｃｈｅｎｇ ＳＤＩＣ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｇａｖｅ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｉｐｅ—ｌ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｔｈａｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｂｏｉｌｅｒ ｓ ｈｏｔ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｉｐｅｓ ｂｅｉｎｇ ｂｌｏｃｋｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ． Ｉ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｂｏｉｌｅｒ；ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅｓ；ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｖｅｌａｍｅｎ ｝ 一 目前，在国内火力发电机组中，超（超）ｌ临界锅炉高温受热面不锈钢管内壁蒸汽氧化所引发的氧化 层剥落造成堵塞爆管的现象时有发生。不少学者针对锅炉高温受热面内壁氧化皮剥落问题开展了一系 列的研究工作，寻找积极应对氧化皮剥落的有效措施，但对彻底解决氧化皮的形成和剥落尚无定论。 １ 氯化皮产生的危害 超临界锅炉在运行过程中，由于蒸汽侧氧化皮的形成、剥落造成的危害主要有以下方面：（１）阻碍 管内蒸汽流动，使壁温大幅升高，金属蠕变损伤，导致炉管泄漏；（２）氧化皮的绝热作用弓ｌ起受热面管金 属壁温上升，影响管材寿命；（３）剥落的氧化皮若带入汽机，会损伤叶片、喷嘴和调门；（４）造成汽水污 染，影响汽水品质。 ２ 氧化皮的形成与剥落原因分析 ２．Ｉ氧化皮的形成 炉管表面氧化皮的生成是金属在高温水汽中发生氧化的结果。钢在５７０￣Ｃ以下，生成的氧化膜是 由Ｆｅ：Ｏ，和Ｆｅ，Ｏ 组成，Ｆｅ：Ｏ。和Ｆｅ，Ｏ 都比较致密（尤其是Ｆｅ，Ｏ ），因而可以保护钢材以免其进一步 氧化。当超过５７０￣Ｃ时，氧化膜由Ｆｅ Ｏ，，Ｆｅ，Ｏ ，ＦｅＯ三层组成（ＦｅＯ在最内层），主要是由ＦｅＯ组成，因 ＦｅＯ致密性差，破坏了整个氧化膜的稳定性。事实上，当温度超过４５０℃时，由于热应力等因素的作用， 生成的Ｆｅ，Ｏ 不能形成致密的保护膜，使水蒸气和铁不断发生反应。当管壁温度达到５７０％以上，反应 收稿日期：２０１１—０８—２５ 作者简介：李 斌（１９６９．），男。工程师，设备维护部主任，从事火力发电厂运行、检修和安全专业管理工作。 陈学进（１９７１．），男，设备维护部金属监督专工，高级工程师。 ・８６・ 李斌，陈学进：超临界锅炉高温受热面氧化皮脱落原因分析 生成物为ＦｅＯ，且反应速度更快，此时，钢的抗氧化能力大大降低。 ２．２影响氧化皮生成的因素 氧化皮形成与温度、时间、氧含量、蒸汽压力和流速、钢材成分、氧化皮成分等有关。通常认为：温度 愈高，时间愈长，介质中氧的分压愈高，流速愈快，氧化皮生成速度愈快；钢中加入ｃｒ、Ａｌ、ｓｉ等元素，生 成的氧化膜致密而牢固，可以使钢材的抗氧化性提高。 多项研究表明：炉管表面的氧化膜并非由水汽中的溶解氧和铁反应形成的，而是由水汽本身的氧分 子氧化表面的铁所形成的。在５７０℃以上，水分子会分解为氢氧原子结构，大量的氧原子充分满足了氧 化反应的需要。而５７０℃也正是形成不致密的ＦｅＯ的关键温度值，所以５７０ｃＩ＝应该成为制定运行参数的 重要参考。 ２．３氧化皮的剥落 氧化皮的剥落有２个主要条件：（１）氧化层达到一定厚度，通常不锈钢为０．１０ｍｍ，铬钼钢为（０．２— ０．５）ｒａｍ；（２）温度变化幅度大，速度快，频度高。 ＳＡ一２１３ＴＰ３４７Ｈ钢材的膨胀系数一般为（１６—２０）×１０一／￣Ｃ，Ｉ９１钢的膨胀系数一般为（１Ｉ．６８～ １２．５８）×１０～／￣Ｃ，而氧化铁的膨胀系数一般为９．１×１０～／￣Ｃ。由于膨胀系数的差异，在氧化层达到一 定厚度，加上温度发生变化尤其是剧烈或反复变化，氧化皮很容易从金属本体剥落。 在机组启停过程中，管子的温度变化幅度最大，管内的氧化皮也最容易剥落。由于机组启动时的蒸 汽流量较小，无法将其带走。脱落的氧化皮不断地积聚，数量较多时，即便机组启动后有了较大的蒸汽 流量，也很难对其产生扰动并带走，被堵塞的管子壁温会异常升高，严重时会造成短期超温爆管。所以 氧化皮堵塞造成的爆管大多发生在启动后的短时间内。锅炉停运冷却过程中，部分蒸汽凝结成水后积 于过热器ｕ型管下部，淹没了剥落的氧化皮，随着ｕ型管底部积水逐渐的自然蒸发，氧化皮一层紧贴一 层，聚积成核状，堵死了锅炉高温受热面管流通截面。 ３＃１炉末级过热器管氧化皮剥落检查 超临界锅炉氧化皮脱落并堵塞爆管问题，需要从运行上进行预防。在锅炉停役时，通过检查发现堵 塞严重的弯头并割管清除是目前普遍做法。对材料为ＴＰ３４７Ｈ的炉管可用专用氧化皮检测仪器进行普 查，找出异常的弯头。由于氧化皮专用检测仪器，检测信号的强度与炉管内部氧化皮重量及堆积形状有 关，并与管壁厚度有关。为准确判断炉管弯头处氧化皮沉积情况，一般用射线检验方法对仪器检测异常 的弯头进行复核。射线底片可直观的反映弯头处氧化皮堵塞量，由此决定是否割管清除。 国投宣城发电公司＃ｌ炉是由哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进三井巴布科克能源公司技术生产的 超临界参数变压运行本生直流锅炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬 吊结构，型号为ＨＧ一１９００／２５．４一ＹＭ７。屏式过热器位于炉膛上方，沿炉宽方向均匀排列共３０屏，每屏 由２８根管子绕制而成，内侧１３圈管材料为１９１，外侧ｌ５圈管进口段材料１９１，弯头及出口段材料为 ＴＰ３４７Ｈ。末级过热器位于折焰角上方，沿炉宽方向均匀排列共３０屏，每屏由２Ｏ根管子绕制而成，进口 段材料１９１，弯头及出口段材料为ＴＰ３４７Ｈ。末级再热器布置于水平烟道内，与立式低温再热器直接连 接，逆顺混合布置。末级再热器沿炉宽方向均匀排列共９５屏，每屏由１０根管子组成，入口段材料为 １２ＣｒｌｂｔｏＶ，中间段及弯头部位材料为１９１，出口段前侧６根材料为ＴＰ３４７Ｈ、后侧４根材料为１９１。 ＃ｌ炉２０１１年３月２９日停炉开始ｃ修，至本次Ｃ修＃１炉累计运行时间约１．９万小时，为查明＃１炉 高温受热面管氧化皮脱落、沉积情况，在本次ｃ修中开展了屏过、末过、末再弯头处氧化皮沉积情况专 项检查。 采用ｓＴ一１型氧化皮检测仪检测屏过、末过弯头处氧化皮沉积情况。 （１）检查了屏式过热器管共３０屏，每个管屏的外环向内环数１—１５根，每个根管共４个弯头和管屏 自夹管弯头，共计１８６０只不锈钢弯头。检查结果：整体情况较好，没有发现氧化皮脱落堆积，不需割管 清理。 （２）检查了末级过热器管共３Ｏ屏，每个管屏２Ｏ圈、每圈管下弯头３只以及每个管屏２根自夹管下 弯头，共计１９２０只弯头。检测结果：末级过热器有８７只不锈钢弯头存在氧化皮脱落堆积，即ＳＴ一１型 ・８７・ 安徽电气工程职业技术学院学报 第十六卷第三期 氧化皮检测仪有明显磁信号显示，其中１８个弯头读数大 于２．０。对读数大的１８只弯头进行了射线检验复核，其 中８个弯头内氧化皮沉积量达到或超过管内径的７０％，３ 个弯头内氧化皮沉积量占管内径３０～５０％，其他７个弯 头内氧化皮沉积量低于管内径３０％。 检修中割管清除氧化皮沉积量较大的弯头１１只，从 管中清理出的氧化皮量与检测结果相符，其中末过第７排 外２根下中弯内清理出氧化皮重１０１．８ｇ，末过第１７排外 ２根下中弯内清理出氧化皮重９５．１ｇ，末过第１７排２自夹 末级过热器管弯头内清理出的氧化皮 管后弯内清理出氧化皮重８９．３ｇ。上述三管内清理出的 图１氧化皮见图１。 由于末级再热器管下弯头处材料为Ｔ９１，不能采用ＳＴ一１型氧化皮检测仪检测管内壁氧化皮沉积 情况，ｃ修中采用射线方法检查末级再热器后弯头５７０只。检查结果：共６２个弯头内有氧化皮沉积现 象，其中左侧数第４４排、８６排内第１根后弯头氧化皮沉积量约占管内径５０％，左侧数第１Ｏ排内第４根 后弯头氧化皮沉积量约占管内径４０％，其他弯头内氧化皮沉积量约占管内径５～２０％。本次Ｃ修中割 管清理左侧数第４４排、８６排内第１根后弯头。 ４相关问题的讨论 ４．１ 关于末过、末再管壁温限值的讨论 ＃１锅炉屏过、末过、末再的壁温测点均位于锅炉顶棚上方管子外壁，所测得的壁温为该管外壁温 度、与管子出口蒸汽温度接近，低于炉内该管最高壁温。 文献［５］指出：从锅炉的热工况分析，这种用管子出口炉外壁温（汽温）来推断炉内管子是否超温的 简单方法不尽合理，因为不同的管组、管组中不同的管段、不同的锅炉出力，炉内壁温最高点的管子壁温 与炉外汽温的温差是完全不同的。例如再热器的管内质量流速比过热器小，管子蒸汽与管壁温差（汽 壁温差）比过热器大；又如低负荷时，处在水平烟道中后部的过热器和再热器的蒸汽与管壁温差比高负 荷时小（对流特性），而处在炉膛上部的后屏的汽、壁温差则比高负荷时大（辐射特性）；此外，后屏的壁 温最高点往往在管屏的下部受到强烈辐射之处，壁温与管子出口的温差可以达到７０￣Ｃ甚至更高，而对 流过热器和再热器的壁温最高点常常在偏差管的出口，汽壁温差一般只有ｌ５℃～４０℃。 制造厂提供的“壁温计算数据汇总”中关于屏过、末过、末再出口段壁温设计数据如表１。 表１屏过、末过、末再出口段壁温设计数据 运行规程规定：屏过、末过、末再出口管壁温限值分别为５８５℃、６０５＂（２、６２０￣Ｃ，当壁温测点达到上述 限值时，按汽、壁温度偏差３０￣Ｃ计算，炉管实际壁温已达到或超过设计温度１０＂１２左右（对末再出口后４ 根管则超过设计温度３０℃左右）。 ４．２超温对炉管寿命的影响 运行温度是影响炉管寿命的主要因素。温度愈高，蠕变速度愈快，蠕变断裂寿命愈短；温度愈高，钢 材的组织、性能变化速度愈快，钢材的老化愈严重。 超温对炉管寿命的损耗可用拉森一米勒参数方程进行估算，拉森一米勒参数方程为：ＬＭＰ＝Ｔ（Ｃ＋ ｌｇｆ），式中 ：工作温度（Ｋ），ｒ：工作时间（小时），Ｃ：拉森一米勒常数（与材料相关），ＩＭＰ：拉森一米勒参数。 拉森一米勒参数方程计算结果表明：在其他条件（材料、工作应力等）不变的情况下，炉管工作温度 提高５￣Ｃ时其寿命损耗约４０％，工作温度提高１０％时其寿命损耗约６０％。 ．８８． 李斌，陈学进：超临界锅炉高温受热面氧化皮脱落原因分析 ｓ预防高温受热面氧化皮产生、脱落、聚积的对策 （１）防止氧化皮快速形成的主要办法是防止机组局部或整体超温运行。主、再热蒸汽温度的控制 要服从炉内管壁温度，如发现屏过、末过、末再管壁温度超温，经过燃烧调整后无效，可适当降低中间点 温度运行。加强对锅炉汽温和烟温偏差的调整和监视，防止受热面局部超温运行。 （２）机组启动时严格按规程控制好升温速度，尽可能减缓机组温度变化的速率；尽量避免紧急停 炉，严禁停炉后通风快速冷却，以防止氧化皮脱落。锅炉运行时应加强制粉燃烧系统的运行监视调整和 异常情况下的及时处理，避免汽压、汽温的较大波动。建议锅炉运行规程中规定机组升降负荷时主蒸 汽、再热蒸汽温度变化速率，多数文献资料提出：防止炉管壁温剧烈波动导致的氧化皮脱落，主蒸汽、再 热蒸汽温度变化速率应低于２℃／ｍｉｎ。 （３）尽量减少减温水使用量，不合理的使用减温水不仅会导致减温器的过早损坏，也会导致锅炉汽 温和炉管壁温剧烈波动。 （４）加强超温管理。运行部应做好超温预防和控制措施的落实情况，切实做好金属超温情况的统 计、分析工作。按公司规定对超温现象进行经济考核。 （５）检修上加强对氧化皮堵塞的检查，将氧化皮检测纳入“锅炉四管”防磨防爆体系。对高温受热 面做到逢停必查（只要具备进入炉膛检查条件），检查内容包括：胀粗检查、变形变色检查、壁厚检查、外 壁氧化皮剥落宏观检查、弯头氧化皮堆积情况检查，特别要加强对超温管子的检查。对于无损检查发现 氧化皮堆积较多的管段，应进行割管清理。建议在今后机组的计划检修中采用氧化皮检测仪器对屏过、 末过管下弯头进行检测，采用射线检验方法对末再管下弯头进行检测。 （６）热控专业应加强壁温测点维护，保证运行人员监视需要。锅炉运行中，运行人员应密切关注各 受热面管壁金属温度的变化趋势，一旦出现超温报警，应立刻采取措施。 参考文献： ［１］姜求志，王金瑞．火力发电厂金属材料手册［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０００． ［２］银龙．超临界机组氧化皮的产生和与预防［Ｊ］．电力设备，２００６，（１Ｏ）：３３．３６． ［３］李耀君．氧化皮脱落导致的过热器管爆管分析［Ｊ］．热力发电，２００５，（６）：５６－５９． ［４］陈 戎．火电厂蒸汽通流部件高温氧化的调查分析［Ｊ］．电力设备，２００６，（１１）：２１－２６． ［５］王孟浩．过热器再热器炉外壁温测点结构和报警温度设定值的探讨［Ｊ］．热力发电，２００６，（７）：２９．３２． 【责任编辑：程蓓】 ・８９・