锅炉高温受热面蒸汽侧氧化皮的形成及剥落机理研究

李福林武东森

摘要：基于基于华能沁北发电有限责任公司2号机组，高温再热器弯头管四次连续氧化脱落检查结果，对锅炉管内壁氧化皮剥落部位进行氧化皮生长的跟踪研究，分析得到氧化皮形成及剥落的规律。结果表明在高温运行状况下：氧化皮的生成速度取决于金属管壁温度,氧化皮的剥落主要取决于氧化皮与金属基体的温差及温度变化速率。严格控制管壁温度及温度变化，是控制氧化皮产生、剥落的关键；前弯头氧化皮堆积量明显低于后弯头，且堆积量主要集中在4~80屏温度较高的位置。从锅炉运行中受热面温度控制、受热面温度波动控制等几个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。

关键词：超临界机组;过热器;氧化皮;脱落;措施

随着锅炉运行时间的延长，在高温再热器管道内部会逐渐生成氧化皮，氧化皮剥落会堵塞管道引起局部过热，导致过热器、再热器爆管;同时剥落的氧化皮被带入汽轮机，引起固粒侵蚀导致损伤汽轮机叶片，污染水汽品质。因此采取有效手段在运行中加强对锅炉受热面温度的控制，抑制氧化皮生成和剥落，以及在检修中消除氧化皮的影响，对机组安全运行至关重要[1]。施万森对锅炉受热面高温腐蚀及预防措施做出了总结[2]，官民健等针对锅炉受热面的化学腐蚀问题进行了原理分析，并总结出了腐蚀后的补救手段[3]，但针对高温再热器氧化皮检测结果进行分析相关的文献较少。本文结合华能沁北发电有限责任公司2×600MW超临界机组锅炉高温再热器受热面管氧化皮形成及脱落的实际情况，分析了氧化皮形成的机理、原因及采取的对策。

1设备概况

华能沁北发电有限责任公司一期两台600MW超临界国产化燃煤机组，为我国首座600MW超临界燃煤机组国产化的依托电厂，锅炉采用东方锅炉（集团）股份有限公司引进日本巴布科克-日立公司技术制造的DG1900/25.4—Ⅱ1型锅炉，设计供电煤耗297.3克/千瓦时。锅炉为超临界参数变压直流炉，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Π型锅炉。

机组炉膛为膜式水冷壁，从炉膛下部到混合集箱为螺旋水冷壁，从混合集箱到炉顶大包由垂直水冷壁连接，两者由混合集箱内过渡水冷壁进行转换连接，炉膛角部为圆弧过渡结构。炉膛上部布置有前屏过热器和后屏过热器，水平烟道依次布置高温再热器和高温过热器，尾部烟道布置有低温再热器和省煤器。高温再热器共计84排，每排10根U型管，Φ50.8×4.5，横向节距228.6，纵向结局70，颅内受热面管子材质为SA-213TP347。

2高再氧化皮检测结果

再热器是将汽轮机高压缸的排气加热到与过热蒸汽温度相等（或相近）的再热温度，然后再送到中压缸膨胀做功，以提高汽轮机尾部叶片蒸汽的干度。再热蒸汽的压力为过热蒸汽的20%左右，采用在热系统使汽轮机热经济性提高约4%~5%。高再设计出口蒸汽温度为569℃，出口压力4.41MPa。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过量减少，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。氧化皮在钢管内堆积堵塞形式如图1所示。

图1氧化皮在钢管内堆积堵塞形式

华能沁北2号机组高温再热器弯头管四次连续氧化脱落检查结果如图2所示。

锅炉启动、停炉时升降温度速率过快会造成氧化皮大量剥落并堵塞受热面馆子，如果停炉后不对受热面管进行检查清理，再次启动后受热面管子便会面临短期超温爆管。因此“逢停必检”是防范氧化皮造成危害的重要手段。

图2中（a）检测完后对信号值较高的管排进行割管处理，通过分析可知：1.（b）（c）三次检测结果对比可知，随时间的增加氧化皮在弯头处堆积逐渐增多，堆积量较大位置主要集中在4~80屏温度较高的位置；2.靠近两侧墙处氧化皮堆积较少，这主要是由于两侧墙温度较低，氧化皮形成速率慢，随之剥落的的氧化批量也减少。3.前弯头（进气）氧化皮堆积量明显低于后弯头，这是因为进出口有50℃以上的温差，出口侧直管段的氧化皮数量明显地大于进口侧。从Ｕ形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形管底部弯头处。

图4同一种钢材在不同温度下抗氧化性能示意图

3.2影响氧化皮剥落的因素

氧化层剥离有2个主要条件：一是多层氧化层达到一定厚度，不锈钢为0.1mm，铬钼钢为0.2～0.5mm（运行（2～5）×104h可以达到）;二是金属材料与氧化膜或氧化膜层间应力是否达到临界值。温度变化频繁、幅度大、变化率高是造成热应力大的主要原因，此外还取决于金属材料本身的特性[4]。实际上，氧化皮本身就是一种金属化合物的混合物，它的线膨胀系数一般在9.1×10-6℃-1，金属材料线膨胀系数与之相差越大。由于母材与氧化皮的线膨胀系数不一致，在锅炉温度突变的情况下，温度应力差使氧化皮碎裂脱离母材，并在顺蒸汽流向出口端下部弯头处堆积。氧化皮的脱落速度主要与氧化皮的厚度、管道材质、管道的温度变化率有关。

3.3氧化皮的主要危害

a）氧化皮剥离造成受热面超温，剥落后的氧化皮一般集中在高温段受热面U型管底部弯头或出口管段中部，有的在联箱的节流孔部位，导致局部过热，超温爆管。

b）氧化皮的产生容易使主汽门卡涩，造成机组停机，主汽门无法关闭，威胁机组安全停运并容易堵塞细小管道、疏水阀门和逆止门等，使系统产生潜在隐患。

c）流动蒸汽带出的氧化皮对汽轮机部件产生

固体颗粒侵蚀，造成汽轮机喷嘴和叶片侵蚀损坏并污染水汽品质。正常条件下，氧化皮是汽轮机发生固体颗粒侵蚀的最主要因素。

3.4防范措施

1.尽可能减少启停次数、频度，减缓升温和降温速率；频繁起停炉，热应力较大，母材与氧化皮的线膨胀系数不一致，温度应力差造成氧化皮碎裂脱离母材，在顺蒸汽流向出口弯头处堆积。

2.在大修期间内，对高温过热器的下部弯头进行大面积（最好是100%）的拍片，对有堆积物的管子果断更换。

3.严格控制锅炉升温、升压速度，汽轮机冲转、机组并网转干态运行前，温升率应不超过1.5℃/min。尽量避免使用减温水，尤其是二级减温水的使用。

4.机组正常运行中，要严格控制受热面蒸汽和金属温度，严禁锅炉超温运行。停炉过程中先做焖炉处理，当炉内温度降到一定温度后，可以通过自然通风冷却，但应避免停炉后18h内强制通风冷却。

4结论

通过对高温低氧燃烧火焰的试验测试和模拟计算，可以得到以下结论：

（1）氧化皮的生成速度取决于金属管壁温度，氧化皮的剥落主要取决于氧化皮与金属基体的温差及温度变化速率。严格控制管壁温度及温度变化，是控制氧化皮产生、剥落的关键。

（2）前弯头氧化皮堆积量明显低于后弯头，且堆积量主要集中在4~80屏温度较高的位置，而靠近两侧墙处氧化皮堆积较少。

（3）尽可能减少启停次数、频度。检修过程中加强监测，尤其是出汽侧弯头的检测至关重要，当出现氧化皮堆积量较大时及时清理保证机组在健康状态下运行。

参考文献

[1]王雷,章明川,谢广录,等.喷雾干燥烟气脱硫技术的数值模拟[J].动力工程,2005，25(3)：416-421.

[2]参考文献内容：

[3]参考文献内容：

[1]梁学斌，何文，王树伟.高温氧化皮的问题探讨和防治[J].华北电力技术,2007A02:128-130.

[2]施万森.锅炉受热面高温腐蚀及预防措施[J].能源与节能，2012，84(9):11-12.

[3]官民健,孙福君,刘常辉,等.锅炉受热面腐蚀分析[J].电力安全技术，2008,10(9):60-63.