超（超)临界参数锅炉高温受热面氧化皮的预防与综合治理

1氧化皮形成机理及危害

1.1受热面生成氧化皮机理

锅炉受热面的氧化膜主要是受热面管材中的铁元素和蒸汽在高温、高压下反应产生,主要包含Fe304、Fe203、Fe0混合的铁基氧化物。氧化膜分内外两层,内层是基体铁元素与蒸汽直接反应生成的黑色Fe0及氧元素内迁与Fe、Cr、Ni生成的少量氧化物,外层或者叫延伸层是内层的Fe0继续与蒸气反应生成的黑灰色Fe304,随着机组继续运行,Fe304又和蒸汽中的溶解氧发生反应,生成红色的Fe203。随着氧化的逐步深入,氧化层开始从原基体界面向外发展,形成质地比较致密的Fe304,最后在最外层形成一层较薄的Fe203,这就是比较典型的双层氧化皮模型,即内层和外层。其中,Fe304、Fe203及Fe、Cr、Ni基氧化物结构致密,性质稳定,不易脱落,能形成保护层,对金属管材起到很好的保护作用,但Fe0结构疏松,晶格易产生缺陷,机组运行过程中极易发生脱落,破坏氧化层整体稳定性。实验表明,在560～570℃及以下温度时,内层氧化膜主要以Fe304和Fe203为主,当温度大于570℃时运行生成的氧化物则含有较多的Fe0。

1.2影响氧化皮生长的因素

锅炉受热面所处环境恶劣,且工况复杂多变。高温、高压环境中,金属氧化皮的形成以及增长受到很多因素的影响,如温度、时间、合金元素、热偏差变化、金属处理工艺、受热面尺寸及形状等。另外,因制作加工工艺不同及合金元素的差异,也会对管材抗氧化性能造成很大的影响,因此要根据不同需求及设计冗余度来选择合适的管材,这对氧化皮的控制和减缓生成有着非常重要的作用。

1.3氧化皮的脱落与危害

根据氧化皮的生成机理可知,温度是其形成与脱落的最大影响因素,根据现场实际对屏式过热器及高温过热器进行检查,较少在底部弯头处发现有氧化皮堆积,其管内蒸汽温度分别为480～520℃、520:555～。而高温再热器的个别管屏则经常超过600℃。因此控制温度就是控制氧化皮的生成。

根据现场实际检查发现,压力为24MPa左右的屏式及高温过热器管内氧化皮要少于压力为4MPa左右的高温再热器,相比之下,低压力的再热器管较容易产生氧化皮。因此压力也是影响氧化皮生成的重要因素。

影响氧化层剥离的两个主要条件:（1）氧化皮达到临界厚度（实验表明不锈钢0.1mm左右、铬钼钢0.2～0.5mm左右）:（2）温度变化,如变化频繁、变化幅度大、变化速率快。

不同材料的热膨胀系数不同,系数因温度变化而随之变化,因而管材与氧化膜之间会产生应力,热膨胀系数差值越

大,应力越大,氧化膜越容易脱落。另外氧化层达到临界厚度后,当受热面壁温发生变化,特别是急剧变化或反复变化时,氧化皮极易从金属基体剥离脱落,一般铬钼钢的氧化皮是内外层同时脱落,厚度0.2mm,但不锈钢只有0.05mm的氧化皮外层脱落。氧化皮脱落后会随蒸汽流动而进入热力汽水系统。其中部分被带入汽轮机,损伤叶片,或造成主气门卡塞:部分在某些情况下会在垂直管屏的U形弯头底部沉积（弯头变径,管壁减薄,内径变小）,阻碍蒸汽流动,引起炉管过热,爆管泄漏。

2氧化皮的预防与综合治理

通过上述分析,在了解氧化皮的形成及剥落机理后,就可对症下药:（1）控制氧化皮的生成及成长速度:（2）控制氧化皮的剥落与堆积:（3）停炉后的氧化皮检测与治理。

2.1减缓氧化皮的生成及成长速度

氧化皮的生成主要受温度、压力和材质影响。在不同的需求下,选择合适的管材,对于控制和减缓氧化皮的生成有非常重要的作用。在锅炉运行过程中,还要通过运行调整来减少金属热偏差,控制蒸汽压力和温度,减缓氧化皮生成。

受热面材质升级,采用TP347HFG（细晶）、super304H、HR3C等高合金含量的新型耐热钢或内部喷丸TP347H。

在锅炉机组运行过程中,严格控制锅炉主、再热汽温度,防止蒸汽超温:做好燃烧调整,避免炉膛烟温偏差引起的高温受热面壁温偏差或超温,发现个别管超温,要加强运行调整,做好分析记录,甚至适当降低蒸汽温度,减缓氧化皮生成速率:做好燃烧及一、二次风配风风量及风温调整工作,根据受热面管壁温度选择性进行受热面吹灰工作,减少燃烧波动对蒸汽温度的影响,防治受热面温度产生偏差:优化DCs控制方式,在满足调度要求的情况下降低AGC负荷变化率。另外汽水品质在运行过程中也需加强控制。

在机组启动过程中,要加强入炉燃料控制,严格控制机组的启动速度和蒸汽温度变化速率,温度变化1.5℃/min,短时间不允许超过2.5℃/min,避免汽温瞬时剧烈波动:利用大旁路或高、低旁路系统抽吸,变负荷蓄压冲管扰动,并监视凝结水铁含量:锅炉升压,系统压力温度的匹配度及蒸汽流量的同步增加:启动过程中尽可能提高给水温度,降低汽水分离器水位,调整蒸汽排放量以及投用低位制粉系统等,保证启动蒸汽流量稳定变化:冲转前尽量不投减温水,一级减温水在主蒸汽流量小于400t/h时不得投用,防止管内水塞,氧化皮脱落,若投用减温水需保证减温后蒸汽过热度大于30℃:另需适当降低高旁后温度,以减少微量喷水的投用量。

机组滑停,控制参数不能过低:煤仓烧空,防治煤量大幅度变化而引起的炉膛热负荷波动:停炉后炉膛闷炉及炉膛吹扫工作,要严格关注管壁温度下降速度,防止出现炉膛壁温剧烈变化:停炉后要检查减温水阀门的关闭情况,并听漏,必要时关闭各级减温水前手动隔离阀进行隔绝:停炉后炉底水封需继续保持,待二次风温与环境温差<80℃后,参照各受热面壁温方可考虑破坏炉底水封:做好停炉保养工作,无特殊要求,停炉后可采用热炉带压放水、余热烘干法进行炉膛保养。另外运检部门之间要加强沟通交流,将检修工作信息及时反馈给运行部门,以便及时做出调整。

2.2控制氧化皮的剥落

氧化皮剥落的主要因素:(1）氧化皮与基体材料热膨胀系数的差异,导致层间产生并承受的较大应力,另外机组负荷变化,管壁恒定温度变化后,形成的温度变化而引起的应变会导致产生裂纹并剥落。(2）运行参数。首先是氧化皮厚度,当管内氧化皮变厚时,剥落所需的弹性应变会变小,当达到一个临界值后,就可能剥离掉落。然后是温度变化影响,短时间内温度大范围频繁变化,也会引起氧化皮剥落。(3）氧化皮承受应力受氧化皮结构影响。(4）基体几何形状对氧化皮的剥落也存在明显影响,如小口管径、内壁不圆、内壁宏观缺陷等。

2.3氧化皮检测及治理

从管理上将氧化皮检测列入"四管"防磨防爆检查体系,逢停必查。建议运行大于3000h的机组,合理利用停炉机会,安排高温受热面检测工作。

停炉前策划,根据结构、材料分布等,划分重点普查范围:做好受热面管定期金属化学监督工作:利用大旁路或高、低压旁路进行蒸汽抽吸:针对锅炉受热面管材抗高温氧化性能设计冗余度不足的情况,可以适当降低机组运行参数,但受热面管升级,优化结构,才是彻底解决问题的根本:受热面酸洗。检测方法:割管内窥镜检测:射线检测:理化金相检测:磁性检测:磁性＋低频涡流检测。

3结语

电厂锅炉的安全经济运行关乎国计民生,氧化皮防控问题已成为各科研单位及发电企业重点关注的问题,锅炉受热面氧化皮的防治及检测是一项复杂而庞大的系统工程,希望本文能够起到抛砖引玉的作用,与科研人员及运行检修的同行进行粗浅的探讨、交流,为锅炉受热面氧化皮的治理研究多做贡献。