摘要：锅炉受热面氧化皮的生成及脱落在大容量机组较为普遍,氧化皮脱落会堵塞管道引起局部过热，导致过热器、再热器爆管，同时剥落的氧化皮会被带入汽轮机，引起固粒侵蚀，损伤汽轮机叶片，污染汽水品质，危及机组的安全运行。本文阐述了氧化皮剥落的原因、生成机理及危害，分别从:机组选型、设计和建设阶段措施；机组运行控制措施；氧化皮清理措施；检修改造措施；检查检验措施；其他措施等方面提出了预防和减少锅炉高温受热面管内氧化皮的形成及剥落的措施。这些防治措施可有效地减少因氧化皮形成及剥落而引起管束超温爆管的事故,提高了机组的可靠性。
关键词：过热器；再热器；氧化皮；防治
ABSTRACT: The generation and spalling of oxide skin in the high temperature of heating tube are more and more frequent, the spalling of oxide skin will block pipes, that cause local overheating and blocking pipe explosion in superheater and reheater. on the other hands, the oxide skin will carry to the turbine, this brings about eroding of steam turbine blades, the pollution of steam and water, endangering the safe operation of unit.This article expounds the mechanism, the cause and the detriment of oxide skin. this article gives some measures to prevent and reduce the generation and spalling of oxide skin in the high temperature of heating tube, those measures base on unit selection, Design and construction, unit operation, working off oxide skin, overhaul , inspection and other aspects. By taken those measures, boiler tube failure due to exfoliation of oxide-scale is eliminated and safe and stable operation of units are assured。
KEY WORD: superheater, reheater, Oxide skin, precaution.
引言
控制锅炉高温受热面氧化皮的生成以及脱落一直是困挠发电企业的难题。近年来，锅炉发生氧化皮脱落危害机组安全运行的国内外案例已有多起。针对锅炉氧化皮这一共性问题，本文提出了高温受热面氧化皮防治的相应技术措施，为防止或减缓锅炉过热器、再热器氧化皮的生成与脱落，减少锅炉非计划停运，提高锅炉运行的可靠性和经济性取得了一定的效果和经验。
1氧化皮剥落原因及生成机理
1.1高温氧化皮剥落现象。
工作汽温在450℃以上的蒸汽管道，其内壁会生成坚硬的Fe3O4垢层，随着运行时间的增加，垢层变厚。当垢层增厚到一定程度，遇到工况变化快，温度改变剧烈时，这些垢层就容易从管壁剥离。垢层剥离后的管壁会重新开始新的氧化垢生成、长厚的过程。含有Cr合金钢管材所生成的这种氧化铁垢，会有厚度几乎相等的内外二层。外层是完全不含Cr的纯Fe3O4层，内层是含Cr高于基体的富铬层。温度是氧化皮生成的一个关键因素。如工作温度在480～545℃的高温过热器或高温再热器，其同一根U型管的出口端的氧化皮要比进口端严重得多。
高温氧化剥皮还发生在过热蒸汽和再热蒸汽的主管道、汽轮机的高压缸和中压缸的前二级叶片。
1.2氧化皮形成的机理。
由于铁的氧化物种类繁多，并且在不同的条件下生成不同的氧化物，关于受热面高温氧化皮的成因和剥离机理主要是以下几方面的原因：金属的氧化是通过氧离子的扩散来进行的。假如生成的氧化膜是牢固的，在生成氧化膜后，氧化过程就会减弱，金属就得到了保护。假如生成的氧化膜不牢固，那么生成的氧化膜不断剥落，氧化过程就会继续下去；受热面氧化现象首先是铁元素的氧化。在570℃以下，生成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4组成，Fe2O3和Fe3O4都比较致密（尤其是Fe3O4），因而可以保护钢材以免其进一步氧化。当温度超过570℃时，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4、FeO三层组成（FeO在最内层），其厚度比约1:10:100，即氧化皮主要是由FeO组成，FeO是不致密的，因此破坏了整个氧化膜的稳定性，这样氧化过程得以继续下去。
铁与水蒸气直接发生化学反应，生成Fe3O4：
3Fe十4H2O＝Fe3O4十4H2
如前所述，所生成的Fe2O3和Fe3O4本来应该是较致密的，对管壁可以起保护作用。事实上，当温度超过450℃时，由于热应力等因素的作用，生成的Fe3O4不能形成致密的保护膜，使水蒸气和铁不断发生反应。当汽水温度超过570℃时，反应生成物为FeO，反应速度更快。
锅炉高温过热器、高温再热器使用的钢材是12Cr18Ni12Ti，但是在实际运行中，长时间的处于高温工作状态，而且管壁短时间的超温现象是普遍存在的。长期高温和短期超温工况下，金属的抗氧化能力大大降低，有利于内壁氧化皮的形成和发展。
氧化皮的剥落有两个主要条件：一是垢层达到一定厚度；而是温度变化幅度大、速度快、频度大。有关手册所列的过热器、再热器管材钢的热胀系数一般在16×10-6～20×10-6/℃，而Fe3O4和FeO.CrO3则分别为9.1×10-5～5.6×10-6/℃，由于热胀系数的差异，当垢层达到一定厚度后，在温度发生变化，尤其是发生反复的或剧烈的变化时，氧化皮即很容易从金属体剥离。
管内氧化皮生成和剥落速度与温度、时间、氧气含量、蒸汽压力、流速、钢材成份、氧化皮成份等因素有关。通常认为：温度越高、时间越常、介质中氧的分压越高、流速越快，管内氧化皮生成和剥落速度越快。
1.3氧化皮剥落的危害
锅炉的高温过热器和再热器多为立式布置。每级过热器由数百根竖立的U型管并列组成。内壁氧化皮的存在，不仅导致受热面金属壁温升高，从U型管垂直管段剥离下来的氧化皮垢层，一部分被高速流动的蒸汽带出过热器，另有一些会落到U型管底部弯头处。由于底部弯头处氧化皮剥离物的堆积，使得管内通流截面减小，流动阻力增加。这导致了管内的蒸汽通流量减少，使管壁金属温度升高。当堆积物数量较多时，管壁大幅超温，引起爆管；从高温过热器和再热器管剥离的氧化皮，很大一部分会被有着极高流速的蒸汽携带出过热器和再热器，至汽机调门以后、或再经喷嘴后，获得更大的速度，这些被携带的氧化皮剥离物颗粒具有极大的动能，它们源源不断的撞击汽轮机叶片，使得汽轮机高压缸、中压缸的前几级叶片受到很大的损伤。损伤严重时，前二级叶片会变小、缺损，降低机组出力；
被高速蒸汽带出过热器和再热器的氧化皮剥离物颗粒，在汽轮机内完成对叶片的撞击和冲蚀以后，颗粒本身会破碎、变小、变细，并增加了一些叶片本身被冲蚀的产物，进入系统后会在锅炉水冷壁管、靠近省煤器端的的高加水侧加热管沉积，导致水汽系统二次污染。
2高温氧化皮的防止措施
2.1机组选型、设计和建设阶段措施
2.1.1锅炉受热面材料选择
2.1.1.1应高度重视新型耐高温材料特性，特别是其高温抗氧化性、材料组织老化规律，以及新材料使用的安全裕度等。锅炉不同区域受热面金属材料应根据其承受温度、应力及工况变化，预留足够的安全裕度，进行科学合理的选择。
2.1.1.2锅炉受热面选用T23管材时，其使用区域的管壁温度不应超过570℃，且汽温不应超过540℃。
2.1.1.3锅炉受热面选用T91管材时，其使用区域的管壁温度不应超过600℃，且汽温不应超过570℃。
2.1.1.4锅炉高温过热器及高温再热器宜选用细晶粒奥氏体不锈钢TP347HFG或同类材料。若采用粗晶粒奥氏体不锈钢TP347H时，则管材内壁宜进行喷丸处理，以提高其抗氧化性。
2.1.2锅炉点火技术的选择
根据目前部分电厂的使用情况，采用等离子点火方式存在点火初期燃料量难以控制、锅炉温升过快、以及在主蒸汽流量很低的情况下需要投用减温水等问题，易造成锅炉启动期间受热面氧化皮脱落、堵管等情况，因此，新建超临界锅炉选用等离子点火技术时应进行充分论证。
2.1.3锅炉管壁温度测点设置
3.1.3.1壁温监测对预防锅炉管超温、爆管具有重要指导作用，新设计锅炉应充分考虑机组正常运行时对锅炉管金属壁温的监测，确保测点布置科学合理，监测数据准确、可靠。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3.1.3.2对超临界锅炉的过热器、再热器高温段应有完整的管壁温度测点，根据炉型不同测点数应达到20～30%，尤其应加强对锅炉管易超温管段的监视，防止超温爆管。
2.1.4汽机旁路系统设置
3.1.4.1汽机旁路系统的设置应考虑负荷性质、汽轮机及锅炉型式、结构、性能及机组启动方式等。合理设置汽机旁路有利于锅炉管氧化皮问题的预防和脱落后的处置。
3.1.4.2新建机组初步设计时，应对国内外超临界机组的旁路设计和运行情况进行充分调研。在保证机组安全的前提下，汽机旁路系统容量的设计应考虑满足机组不同状态的快速启停、汽轮机热态保护、锅炉管氧化皮的冲洗要求等各方面因素，即旁路容量应根据机组对旁路系统的综合整体需求确定；旁路的控制系统功能应与主机相应要求配套。
2.2机组运行控制措施
2.2.1减缓氧化皮生长增厚措施
2.2.1.1温度和介质压力越高，氧化皮的生成速度越快，在运行中，注意锅炉燃烧调整，防止受热面超温超压，可以有效遏制氧化皮形成。
2.2.1.2严禁锅炉超温、超负荷运行。应建立台帐，对运行中出现的超温情况做好详细记录，包括超温温度、运行时间等，并加强统计分析。
2.2.1.3严格控制锅炉横断面各管屏温度的偏差，加强受热面的热偏差监视和燃烧调整，改善烟道温度场的分布及受热面管子的吸热均匀性，有效降低受热面管子的壁温偏差和汽温偏差，防止受热面局部超温运行。
2.2.1.4为防止炉膛热负荷工况扰动造成受热面超温，运行中应以燃烧调整（如燃烧器角度、风量匹配等）作为汽温主要调节手段，避免用一、二级减温水大开大关来调节汽温。
2.2.1.5加强炉膛吹灰，定期清洁炉膛，改善受热面热传导性能。
2.2.2防止氧化皮大面积剥落措施
2.2.2.1锅炉启、停及升、降负荷过程中，严格控制升温升压或降温降压速率，在机组负荷低于25%时，应尽可能避免投用减温水。
2.2.2.2已安装等离子点火装置的锅炉启动时，在点火初期宜投用少量油枪缓慢提升炉膛温度。
2.2.2.3氧化皮剥落和温度变化有直接的关系，因此控制机组启停次数、频度，减缓升温升压速率。锅炉启停中受热面温度变化按照规程规定的参数升降，抑制氧化皮的剥落。特别是机组启动和事故状态下，由于再热器存在蒸汽中断的情况，此时要对再热器系统进行保护，通过旁路系统向再热器供汽，减少再热器干烧时间。
2.2.2.4对于已发生大面积氧化皮脱落的锅炉，由于管内氧化皮的传热能力较差，可以适当降温运行，降温幅度以管壁温度不超过限值为基准。
2.2.2.5机组跳闸，锅炉停止运行后，应尽量减缓炉内温度下降速度。并做好停炉保护。选用恰当的停运保养方法，如热炉放水，受热面负压抽干等，可有效地减轻过热器管下部弯头的停运腐蚀。
2.2.2.6机组启动暖管过程中要保证暖管的压力和蒸汽流量，适当延长暖管时间，目的是对过热器、再热器、主再热蒸汽管道进行有效吹扫。
2.2.2.7机组启动期间严格进行冷态冲洗和热态冲洗水质指标的控制，冷态冲洗分离器排水水质Fe<100ug/L前禁止锅炉点火，热态冲洗分离器排水Fe<100ug/L前禁止锅炉升温、升压。
2.2.2.8在机组每次启动时采用旁路系统“替代吹管”即:在汽轮机启动前，由锅炉加旁路运行，进行大流量清洗(40%～60%质量流量)，将上次机组停机时和停机前所脱落的氧化皮吹除干净，避免固体颗粒对汽轮机的损伤。
2.2.2.9机组冷态启动过程中严格按照机组升温控制曲线控制蒸汽温度。锅炉点火后，在升压开始阶段，饱和温度＜100℃时，升温速率≯1.1℃/min；在汽轮机冲转阶段，饱和温度升高，升温速率≯1.5℃/min。
2.2.2.10机组热态启动过程中严格按照不同热状态的升温控制曲线控制蒸汽温度。在热态启动过程中，为防止受热面金属温度降低，锅炉的烟风系统要与其它系统同步启动。烟风系统启动后炉膛通风控制总风量为35%，在炉膛通风5min结束立即点火，点火后要尽快投入燃料量，控制屏过、高过、高再烟气温度不降，防止受热面金属温度降低。
2.3氧化皮清理措施
2.3.1锅炉启动时，应进行锅炉管吹扫。特别严重的可以安装临时管路进行吹管，锅炉启动时多次吹扫有利于锅炉的长时间安全运行。
2.3.2当检查发现过热器、再热器管下U形弯处有较多的氧化皮沉积而无法通过蒸汽吹扫进行清理时，可采用割管清理。
2.4检修改造措施
2.4.1受热面改造时，应根据锅炉不同区域受热面金属材料的温度场、烟气流场的实际情况进行严格的校核计算与比较选材。
2.4.2改造换管时，严格控制更换管材质量，确保原材料性能符合要求。
2.4.3更换管材时应严格按照焊接工艺和热处理工艺执行，防止焊接质量不良和热处理不当，破坏管材性能，导致降低管材寿命。
2.4.4在检修时，对高温过热器和再热器底部弯头拍片检查，及时发现有沉积物的弯头，进行更换，可以较有效地避免运行后爆管。
2.4.5机组检修中加强对高中压主汽门、调速汽门阀座、阀芯密封面、阀杆和阀杆套检查，发现有氧化皮生成时及时清理，防止氧化皮层过厚导致汽门关闭不严或吹损，阀杆因氧化皮的存在阀门关闭时卡涩，引起汽轮机超速事故。
2.4.6机组检修时及时清理凝汽器热井磁栅，消除氧化皮的细小颗粒，防止在锅炉水冷壁、靠近省煤器端的高加水侧加热器热管沉积，引起水汽系统二次污染。
2.4.7机组运行中对精处理阳床按照合理的周期进行反洗，避免反洗周期过长造成铁穿透，引起铁氧化物对汽水系统的二次污染。
2.5检查检验措施
2.5.1加强停炉时的检查与检测。利用每次停炉机会对末级过热器和末级再热器进行宏观检查，对发现有问题部位及监测超温部位，应针对性地进行硬度、金相检验。根据停炉时间长短相应安排末级过热器高温段出口弯头的射线或超声检测，对堆积氧化皮的弯头进行割管清理或更换处理。
2.5.2新建机组在检查性大修中宜对高温过热器及高温再热器管进行安全性评定。可通过射线或超声波检测，判断锅炉管内壁氧化皮形成及剥落情况，同时进行金属检验和割管验证，割管测取垢量，分析氧化皮的严重程度和生成趋势。科学评估金属材料的老化程度，据此确定相应的改进方案。
2.5.3锅炉累积运行时间超过10000小时后，应对T23管材进行割管检验；累积运行超过15000小时后，应对T91管材进行割管检验，并对锅炉管运行状况及发展趋势进行分析判断与风险评估。
2.5.4对于运行中管壁温度异常的管件应进行重点检查，并采取可行措施。
2.6其它措施
2.6.1应高度重视并认真做好锅炉受热面材料及锅炉制造过程的监督检查工作。对不同厂家或同一厂家不同批次的材料均应进行认真检查检验，确保材料合格。受热面加工时，应严格控制加工工艺，特别是弯管、焊接、热处理等工艺，确保材料品质和制造质量符合要求。
2.6.2由于国产奥氏体不锈钢存在材料性能不稳定现象，因此，对国产奥氏体不锈钢材质检测时，应增加第三方检验评定。
2.6.3应注意对测温装置的校验及壁温测点安装工艺控制，确保测量数据准确、可靠。
3结束语
受热面高温氧化皮的形成和剥落机理较为复杂，高温蒸汽受热管道在其工作条件下，水蒸气对金属的腐蚀始终在进行着。因此，受热面在高温高压作用下，管内氧化皮形成和剥落是不可避免的。而它的危害来自于腐蚀产物——氧化物的剥离，会引起过热器爆管、汽轮机叶片的严重残损、水汽品质劣化。受热面高温氧化皮问题应引起重视，通过加强运行和检修的综合管理，可以有效地减缓管内氧化皮形成和剥离的速度，减轻对汽机部件的冲蚀。
参考文献
[1]朱宝田.《固体颗粒对汽轮机通流部分的冲蚀与防治对策》中国电力.
[2]徐远鹏.《受热面高温氧化皮成因分析》.
作者简介
王敬忠（1981），男，甘肃人，本科，工程师，从事锅炉运行技术指导管理工作。
论文作者:王敬忠
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/22
标签：锅炉论文; 机组论文; 温度论文; 高温论文; 管壁论文; 汽轮机论文; 旁路论文; 《电力设备》2018年第15期论文;