摘要：锅炉内工质压力处在临界点之上时的锅炉即超临界直流锅炉。由于超临界直流锅炉在运行时经常会因高温受热而导致氧化皮的脱落，进而对锅炉设备的运行效率和设备质量产生严重影响。基于此，本文以超临界直流锅炉作为主要研究对象，通过对其氧化皮形成机理与脱落原因及预防策略展开了研究。
关键词：超临界直流锅炉；氧化皮脱落原因；预防措施
导言
锅炉氧化皮脱落是一个普遍存在的问题，在高温、高压状态下，炉管的母材会受不同膨胀力的影响产生裂纹，使基体金属直接暴露于氧化环境中，加快炉管氧化速度，形成的氧化皮随着温度和介质变化，会脱落并附着在弯管处，若管壁长期过热，便可能导致弯管爆破事故，致使火电厂机组无法安全有序运行。探讨锅炉氧化皮脱落的原因并提出针对性的预防措施，对提高电厂运行的安全经济性有极大意义。
1 形成机理
1.1 制造加工过程
由于锅炉受热面材质要求较高，必须在高温下制造，而氧化膜的形成是在570℃以上的高温条件下，由空气中的氧和金属表面结合形成的。氧化膜分三层，由金属表面起向外依次为FeO﹑Fe3O4﹑Fe2O3。试验表明：与金属相连的FeO层结构疏松，晶格缺陷多，当温度低于570℃时结构很不稳定，极易脱落，或在半脱落层部位发生腐蚀现象。若不对其进行处理，在该管材投运后便产生严重的氧化皮问题，形成脱落要要氧化要要再脱落要要再氧化的恶性循环，最终形成大量氧化皮堆积，导致管内水动力受阻，局部超温爆管。
1.2 运行期间的氧化膜产生主要分为两种情况
在450℃至570℃之间，水蒸汽与金属表面直接接触，并发生氧化反应，生成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成，Fe2O3和Fe3O4都比较坚实尧致密，可以保护或减缓金属表面的进一步氧化。当温度上升至570℃以上时，水蒸汽与金属继续发生氧化反应，生成的氧化膜由FeO﹑Fe3O4﹑Fe2O33层组成，FeO在最内层，而FeO结构疏松，极易脱落，破坏了整个氧化膜的稳定性，使氧化膜易于脱落。所以严格控制受热面超温是运行期间机组控制氧化皮生成的关键。
2 锅炉氧化皮的脱落原因
2.1 炉管材质
超临界直流锅炉炉管大多以合金为主，其中Cr的含量不同决定了不同炉管的耐热性和抗氧化性也存在较大的差异，如果在使用炉管时，需要根据不同的Cr含量要求安排不同的使用环境。如果没有根据炉管的使用环境进行合理的设计，就会使炉管在运行过程中发生温度过高、氧化过快等问题，加速氧化皮的生成，进而造成氧化皮脱落。
2.2 管壁温度
很多已经生成氧化皮或者氧化皮脱落的炉管仍然被应用，可能会导致炉管局部温度过高，加速氧化反应的发生，当炉内温度过高时，炉管的温度也会在短时间内持续升高，氧化皮的厚度也会随之增加，当达到一定厚度时便会脱落。
2.3 锅炉机组启停时形成的热应力
在锅炉启动和停止的过程中都需要较大的热负荷，才能使水循环达到锅炉启停所需要的流量标准，在热负荷的作用下炉管会有一短时间处在高温、干烧的状态，这种情况下就容易导致炉管温度在瞬间升高，所以一般在锅炉启停时会配合相应的降温方法，使炉管的温度保持在稳定的状态，与此同时也会产生较大的热应力，加速氧化皮的生成和脱落。从目前超临界直流锅炉氧化皮的生成和脱落情况来看，大部分的氧化皮脱落都是由于热应力作用引起的。锅炉机组停止运行时，炉壁内部的温度降低，各项参数随即降低，使得热负荷瞬间降低，与机组运行的热负荷之间形成较大的落差，由此而产生的热应力就会加速氧化皮的生成和脱落。
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3 超临界直流锅炉氧化皮脱落的预防措施
3.1 对材质的科学设计与选择
超临界直流锅炉发生氧化反应和氧化层脱落与超临界直流锅炉的自身材料有着极其重要的联系，因此在对超临界直流锅炉的材料选择和设计时，必须做到科学合理，目前高晶粒度等级的钢材是较好的锅炉材料选择。现阶段，国内的锅炉制造材料多采用国内生产的钢材，然而目前国内生产的钢材在其晶粒度上和国外先进钢材的晶粒度还存在着一定的差距，所以在锅炉钢材选择要尽量选择晶粒度等级高的钢材。另外，除了晶粒度等级之外，锅炉制作材料的抗高温性和抗氧性也是非常重要的影响因素。因此超临界直流锅炉制造企业在对锅炉钢材的选择时，要积极引进国外的先进技术，提升我国钢料的晶粒度等级和抗高温性、抗氧化性。在超临界直流锅炉制造中必须严格把握质量关，提高制造工艺，避免焊接缝、厚度不均匀的问题。总之，在超临界直流锅炉的制作过程中必须对制造钢材的选择和设计严格控制，减少锅炉的氧化层形成和脱落，保障超临界直流锅炉的正常、安全运行。
3.2 安装工艺的改善与焊接条件的控制
要保障超临界直流锅炉氧化层形成以及氧化层脱落问题的有效控制，在超临界直流锅炉的安装过程中就需要实现严格规范。首先，对于安装工人的专业技能、安装技术要有明确的要求，尤其是过热器、再热器等容易出现偏差的地方更要安装得特别精准；其次，在安装之前要再次确定锅炉炉体质量的过关，确定炉管内没有异物，确定安装环境的适合，在安装完成之后为了保障稳定性还需要对疏水管、炉管等重点设备进行检查；最后，在超临界直流锅炉焊接时要保障焊接质量，避免不同类型的钢材进行焊接，受到目前焊接技术和工艺的影响对异种钢进行焊接很难实现焊接质量保障，易出现受热不均等问题，导致锅炉氧化层的形成和脱落。
3.3 合理调配机组负荷，合理调整燃烧工况
1）机组并网后，当任一金属壁温与对应的汽温之差大于70℃时，机组负荷在400MW至500MW之间快速升降负荷，升负荷速率设定1.5MW/min，降负荷速率设定1.2MW/min，并对该金属壁温对应部位进行蒸汽吹灰。如果在机组负荷400MW以上进行变负荷吹扫8小时，金属壁温仍然不能恢复正常时，机组降负荷至200MW，采用上述吹扫方式进行吹扫，如果吹扫效果仍然不能满足要求时，锅炉熄火，炉膛温度下降，对炉内金属管进行检查处理。
2）吹灰是去除积灰和增强炉膛吸热的有效手段，为了避免蒸汽吹灰过程中蒸汽带水导致吹灰区域受热面急剧降温，吹灰疏水温度控制不低于300℃。
3）合理调整煤水比例，控制汽水分离器出口焓值，避免煤水比失调引发过热器、再热器短期超温。同时减温水使用要平稳，避免大幅开启或关小减温水导致过热器、再热器管壁温度剧降引起氧化皮脱落。
4）控制主、再热汽温升降速度不大于1.5℃/min。注意主汽温及锅炉金属壁温的监视和调整，机组负荷低于150MW时，禁止使用减温水。
5）在高峰负荷时，尽量不启动最上层磨煤机。若必须投运最上层磨煤机时，应采取正三角配煤和配风方式，以降低火焰中心，保证高温过热器区域不出现局部超温现象。
6）燃烧器摆角控制在40%～75%之间，且摆角不能大幅度摆动，避免燃烧器摆角上摆至最大时发生卡涩出现汽温超限引起过热器、再热器短时超温。
7）维持炉膛负压-100～-150Pa，在确保燃烧完全的前提下维持较低炉膛含氧量，避免风量偏高导致火焰偏斜引起管壁超温。
4 结语
综上所述，我国火电机组的发电技术虽然在不断的完善中，但实际运行中却容易受炉管材质、运行环境温度和启停机热应力的影响，而造成锅炉氧化皮过早脱落，不利于机组安全稳定运行。氧化皮脱落的原因分析与防治措施探讨，对于大型现代化火电厂有着极其重大的意义，同时也是一个非常有挑战性的课题，因而需要从设计、安装以及运行控制等几个方面采取有效的预防措施，对氧化皮的生成和脱落进行有效的控制，提高超临界直流锅炉运行的效率，促进其作用得充分发挥。
参考文献：
[1]朱全利.锅炉设备及系统[M].中国电力出版社，2006.
[2]万朝晖，陈俊.火电厂锅炉氧化皮脱落的原因分析与预防措施[J].科技资讯，2013.
论文作者:李海斌,胡文琦,李海亮
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/14
标签：锅炉论文; 炉管论文; 超临界论文; 负荷论文; 机组论文; 温度论文; 钢材论文; 《电力设备》2017年第35期论文;