高波

超超臨界機組氧化皮脫落成因分析及防治

高 波

（內蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責任公司，內蒙古 托克托 010206）

摘 要：為了滿足人們日益增長的用電需求，發(fā)電企業(yè)不斷改進發(fā)電設施，相繼投運了高參數的超超臨界機組。但是超超臨界機組在提高電力企業(yè)經濟效益的同時，因為長期運行在高溫高壓下而增加了鐵和水蒸汽的反應速率，導致產生氧化皮。氧化皮在脫落后會嚴重影響到機組的穩(wěn)定和安全運行，甚至造成嚴重的安全事故，需要采取措施積極防治。本文主要分析超超臨界機組氧化皮脫落的成因，并提出防治措施。

關鍵詞：超超臨界機組 氧化皮脫落 成因與防治

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）11-0-01

引言

21世紀超超臨界機組在環(huán)保趨勢加深和燃料成本不斷提高的情況下，成為提高發(fā)電企業(yè)發(fā)電量的重要設施。但是，氧化皮脫落導致超超臨界機組在運行中出現諸多問題，比如侵蝕葉片固體顆粒、卡澀汽輪機主汽門、堆積在節(jié)流短管和彎管處造成堵塞等等，嚴重威脅到機組正常的運行，特別是在冬季運行的供熱機組。金屬材料和水蒸汽在高溫高壓下會增加反應速率，從而在高溫受熱面產生氧化皮，氧化皮厚度和運行時間成正比，這是有研究已經證明的結論。而氧化皮的脫落經常發(fā)生在鍋爐參數變化較大或者是啟動和停止機組運行的時候，為了避免氧化皮脫落造成的嚴重后果，必須分析其形成和脫落原因，并采取防治措施。

一、氧化皮形成和脫落的原因

1.氧化皮形成和脫落的化學反應

氧化皮形成和脫落出現的位置是高溫蒸汽管內壁，決定因素是通流部件的材質和運行工況的變化[1]。在學界內公認的化學反應是如下：

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2

3Fe+2O2=Fe3O4

機組一般在實際運行二十多個小時后，其內部的氧氣含量就基本上沒有了，這個時候就是在金屬表面形成了致密氧化皮。而給水中的含氧量在計算后發(fā)現也無法滿足能夠實現金屬氧化的含氧量，因此發(fā)生的化學反應式是氧氣氧化機理化學反應。

2.形成氧化皮的原因

高溫蒸汽管里形成了兩層氧化膜，包括內層的原生膜和外層的延伸膜。原生膜主要是黑色的氧化鐵，是水蒸汽和鐵之間直接氧化形成的；延伸膜的形成是Fe離子向外擴散而蒸汽中的O離子向內擴散而形成的，在不同的溫度下形成的氧化膜結構不同。在570攝氏度以下，氧化膜的結構由內向表面是四氧化三鐵、三氧化二鐵，其中四氧化三鐵能夠對鋼材起到一定的保護作用；在570攝氏度以上，氧化膜結構由內向鋼表面是三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化鐵，其中氧化鐵具有不致密性，其疏松的結構、缺陷較多的晶格，表明這種氧化層是不穩(wěn)定的。

3.氧化皮出現脫落的原因

對氧化皮脫落產生影響的因素主要有五個，包括：蒸汽中含有的氧氣量、金屬壁溫或者蒸汽溫度、開啟和停止鍋爐的方式與頻率、氧化皮厚度、合金熱膨脹系數。氧化皮脫落的一般規(guī)律為：（1）氧化皮增加厚度和運行時間成正比，與脫落應變值成反比，氧化皮厚度在超過一定的臨界值后就會發(fā)生脫落，發(fā)生脫落時的氧化皮厚度就稱為臨界厚度。通常情況下百分之七十的奧氏體鋼氧化皮在厚度為0.1毫米時會出現脫落，百分之百發(fā)生脫落的氧化皮厚度為0.15毫米，而鉻鉬鋼在氧化皮厚度達到0.2到0.5毫米時會百分之百出現脫落；（2）在吸收熱量相同的情況下，如果金屬氧化物熱膨脹的系數與合金差異較大時，越有可能出現氧化皮脫落；（3）在蒸汽溫度被擾動比較嚴重時，氧化膜表面的應力會有比較大的變化，出現脫落的概率比較高，因此需要對開啟、暫停鍋爐時的蒸汽溫度加強控制，減少氧化皮脫落；（4）超超臨界鍋爐現在采用的運行方式是微氧運行，在加氧上要注意，如果加得少，無法產生光滑而連續(xù)的致密氧化膜；如果加得多，額外的氧會進入過熱器，進而使高溫過熱器里面的氧化皮生成速度加快，通常情況下鍋爐的給水含氧量控制在每升20到60微克即可[2]。

二、超超臨界機組氧化皮脫落的危害

超超臨界機組氧化皮脫落造成的危害是巨大的，主要表現在：

1.脫落的氧化皮會對管道造成堵塞，導致與之相應的受熱面管壁金屬出現超溫，強迫機組暫停運行；

2.氧化皮的長期脫落會導致管壁薄化、強度也變差，最后出現爆管；

3.一些設備上脫落的氧化皮是固體顆粒而且比較堅硬，比如再熱蒸汽管道、再熱器、鍋爐過熱器等，會對汽輪機通流部分的旁路閥、主汽閥、動葉片、噴嘴等造成嚴重損傷，同時也會降低汽輪機通流位置的效率，在特別嚴重的情況下，必須將葉片更換；

4.氧化膜的脫落縮短了檢修周期，提高維護費用；

5.有些機組降低參數運行來減緩氧化皮的脫落速度，降低了超超臨界機組的運行效率。這些狀況都會使超超臨界機組運行的穩(wěn)定性、經濟性和安全性大大降低，造成企業(yè)的經濟損失，對企業(yè)的健康發(fā)展造成一定影響。

三、防治超超臨界機組氧化皮脫落的措施

在分析超超臨界機組出現氧化皮脫落的原因后，需要采取一定的防治措施來應對，降低氧化皮脫落的概率，從而保證超超臨界機組能夠正常、穩(wěn)定地運行，延長其使用壽命。

1.在設計和調試基建階段做好防治工作

在設計和調試階段采取的防治措施有：（1）將熱偏差允許的范圍明確寫到鍋爐合同中，并將其作為驗收試驗鍋爐性能的主要指標；（2）在設計鍋爐時，請專業(yè)的第三方人員計算熱力系統；（3）選擇的金屬材料最好是能夠耐氧化的合金；（4）在管壁內表面鍍鉻是延長金屬表面氧化皮生成和脫落時間的有效方法，不過這種方法存在高費用和高污染等不足，比較難以推廣；（5）氧化膜層鉻元素質量濃度的提高可以采用內部噴丸處理，這種處理方式能夠有效抑制在表面生成鐵氧化物，使鉻元素發(fā)生氧化的臨界濃度有效降低，可以更好地生成單一的 Cr2O3膜[3]。比如采用噴丸處理 TP347H 鋼后，氧化膜鉻含量得到大幅度提升，生成了富鉻氧化層，生成氧化膜的速度有效降低；（6）在設計旁路選型與熱控系統時，一是要達到機組熱態(tài)與極熱態(tài)的開啟要求，二是要達到機組運行后每次啟動時汽水系統大容量沖洗的規(guī)格，尤其是在冷態(tài)啟動時；（7）調查我國相似類型的鍋爐在哪個環(huán)節(jié)容易出現超溫爆管的情況，在這些環(huán)節(jié)加裝對工質溫度的測點和對壁溫的測點；（8）在進行鍋爐的燃燒調整實驗、水動力實驗和空氣動力場實驗時，必須要嚴格，按照規(guī)定進行實驗，不能與制造商規(guī)定的要求相差太大；（9）及時進行吹管和酸洗等操作，要及時清除干凈易脫落的氧化皮，以免在機組投運后受到影響。

2.在機組生產運行階段做好防治工作

機組生產運行階段防治氧化皮脫落的具體措施有：（1）在機組運行時，要監(jiān)控好工質溫度和金屬壁溫，嚴禁在超過規(guī)定溫度時運行。在啟動和停止鍋爐時，對升降溫、升降壓的速率進行嚴格把控，如果機組的帶負荷比額定負荷的百分之二十還低時，最好不要采用減溫水；（2）對鍋爐橫斷面的溫度偏差要進行嚴格把控，控制溫度的主要方面是管壁溫機組生產運行階段防治氧化皮脫落的具體措施有：（1）在機組運行時，要監(jiān)控好工質溫度和金屬壁溫，嚴禁在超過規(guī)定溫度時運行。在啟動和停止鍋爐時，對升降溫、升降壓的速率進行嚴格把控，如果機組的帶負荷比額定負荷的百分之二十還低時，最好不要采用減溫水；（2）對鍋爐橫斷面的溫度偏差要進行嚴格把控，控制溫度的主要方面是管壁溫度，避免管壁溫度超過規(guī)定溫度是最為重要的目標；（3）熱控自動化水平需要再提高，在所有工況中都最好不要讓工作人員實施手動操作，盡量不要出現不正常的停機；（4）在因為事故而導致停機后，需要采取的措施是“悶爐”，盡量將鍋爐的溫度和壓力保持在停機前，與此同時要對出現事故的原因進行調查和處理，盡快啟動機組的熱態(tài)或者極熱態(tài)；（5）機組啟動和暫停的次數應該盡可能減少，尤其是冷態(tài)啟動的次數；（6）對加氧要加強控制，保障汽水的質量；（7）在啟動已經安裝有等離子點火裝置的鍋爐時，最好在點火初期投用一到兩支油槍實施暖爐，慢慢地提高爐膛的溫度，在鍋爐的溫度達到指標時在投進煤粉；（8）有的鍋爐已經出現了氧化皮的大面積脫落，針對這些鍋爐最好是降低溫度運行，降低的溫度基準是管壁溫度在規(guī)定值以下；（9）在啟動鍋爐時，如果有條件最好吹掃氧化皮，保障后期鍋爐的正常運行。如果一些機組在投運后不久就出現比較嚴重的氧化皮生成和脫落，那么可以采取的措施是重新對鍋爐進行嚴格吹管與酸洗，從而將氧化皮徹底清除掉，為了實現這一操作需要重新安裝臨吹管道。如果一些機組選擇了大容量的旁路系統，那么可以用旁路的“替代吹管”大容量清晰鍋爐汽水管道，其清洗的容量能夠達到百分之四十到百分之六十的質量流量。

四、結語

超超臨界機組出現氧化皮脫落的原因比較復雜，包括開啟和停止鍋爐的方式與頻率、氧化皮厚度等都是影響因素，而且其出現是很難避免的，會嚴重影響到發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行和發(fā)電企業(yè)的經濟效益。技術人員要從設計和調試階段、鍋爐運行階段加強防治氧化皮的生成與脫落，保障超超臨界機組的健康運行。

參考文獻

[1]倪滿生.某超超臨界機組高溫受熱面氧化皮脫落分析與預防對策[J]. 工程技術：全文版：00311-00312.

[2]何誠，楊守偉，樊旭.超臨界鍋爐高溫過熱器氧化皮脫落導致爆管的原因分析及對策[J]. 河北電力技術， 2010， 29（5）：29-30.

[3]邱嵩. 660MW超超臨界機組鍋爐氧化皮的產生及預防控制[J]. 工程技術：全文版， 2016（12）：00278-00279.