超超临界锅炉氧化皮的产生和防治

超超临界锅炉氧化皮的产生和防治

随着机组容量越来越大，蒸汽参数越来越高，金属在高温环境下不断产生氧化皮。并伴随氧化皮剥落堆积，造成管壁超温并最终导致锅炉四管爆漏事故。因此氧化皮的产生和剥落是影响机组安全稳定运行因素之一。

一、氧化皮生成的原因

由于高温高压蒸汽具有氧化性，从400℃以上开始具有较强氧化性，500℃-700℃具有最强氧化性，600℃以上氧化速度加快。500℃以上，奥氏体钢就与水蒸汽发生反应生产氧化层，570℃以上，氧化层中增加了FeO相，材料氧化速度加快。在600℃-620℃之间，金属氧化速度存在突变点，氧化层迅速增厚，氧化层达到一定厚度，运行条件变化时，容易导致氧化层脱落，成为氧化皮。氧化皮是高汽温参数带来的副产物。氧化皮基本是双层结构，内外层厚度相当，外层主要是疏松结构的Fe3O4，内层为致密结构的(FeCr)3O4,其中Cr含量随金属不同而不同。

奥氏体钢只脱落外层氧化皮，内层不易脱落。铁素体钢内外两层都易脱落，管壁内部运行一段时间容易形成新的氧化皮，造成反复的形成和反复的脱落。

在机组实际运行过程中，锅炉高温过热器、高温再热器长

期处于高温状态下，管壁出现短时超温是比较常见现象。在长时超温和短时超温情况下，管材抗氧化能力大大降低。加快氧化皮的生产和发展。

二、氧化皮的危害

氧化皮的产生和剥落对机组运行的危害：

（1）氧化皮剥落阻碍管内蒸汽流动，使壁温大幅升高，金属蠕变胀粗，造成锅炉受热面管壁超温爆管。

（2）氧化皮的绝热作用引起受热面管金属壁温上升，影响管材寿命。

（3）氧化皮对汽轮机产生固体颗粒侵蚀，造成调门、喷嘴和叶片侵蚀损坏。

（4）氧化皮产生容易造成主汽门卡涩，机组停运造成主汽门关闭不严，威胁机组安全运行。

（5）氧化皮剥落容易堵塞疏水管，威胁机组安全运行。（6）氧化皮剥落造成汽水污染，严重影响汽水品质。三、氧化皮剥离的原因、条件及机理

（1）原因：

由于氧化皮的膨胀系数与碳钢和低合金钢接近，但是奥氏体钢的膨胀系数要比氧化皮大很多,大幅度的温度变化将导致金属内应力增大而使氧化皮剥离。

（2）氧化皮的剥离有两个主要条件:

一是氧化皮达到一定厚度;二是管壁温度变化幅度大、速

度快、频度大,导致的母材基体与氧化皮或氧化皮层间应力达临界值而脱落。

（3）氧化皮的剥离机理:

机组运行蒸汽温度超过该材质氧化皮快速增长的温度水平,氧化皮更容易形成。氧化皮性质脆硬,与基体钢材膨胀系数差异大,尤其是与奥氏体钢。管内温度与压力的波动容易造成氧化皮与基材之间的应力超过限度,氧化皮开始脱落。如果停炉,蒸汽冷凝后在受热面的弯管处积存,与脱落的氧化皮粘接在一起,再启动,工质流量不大,不能冲走,容易发生爆管。

机组在实际运行中，启停是比较频繁的。由于大部分都是调峰机组，机组负荷经常变化，造成管壁温度变化幅度大，速度快，较频繁，管内氧化皮剥落速度较快。

四、氧化皮的预防措施

为了能够减少和防止氧化皮的产生，从设计阶段、调试阶段、投产运行阶段采取防治措施。

（一）机组设计阶段措施

1.锅炉受热面材料选择

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（郓城公司主蒸汽管道和一、二次热再热蒸汽管道、高过、高再出

口集箱首次采用国内自主研发新材料马氏体耐热钢G115，其中管道壁温不超过660℃，集箱壁温不应超过650℃）。

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℃。

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℃（郓城公司锅炉水冷壁首次采用马氏体耐热钢SA-213T91）。

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（郓城公司高温受热面部件首次采用新材料奥氏体耐热钢Sanicro25，壁温不超过700℃）。

2.锅炉点火技术的选择

2.1 根据目前部分电厂使用情况，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入减温水等问题，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。

3.锅炉管壁温度测点设置

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

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（经过调研日照电厂2013年连续爆管4次，末过3次，后屏过1次；潍坊电厂2011年连续爆管3次，均为末过；黄岛电厂2014年爆管2次，均为末过。此三个电厂爆管位置均为热段下弯头出口直管段，建议在锅炉高温段增加壁温测点、工质温度测点）。

4.汽机旁路系统设置

4.1 汽机旁路系统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。合理设置汽轮机旁路有利于锅炉管氧化皮问题的预防和脱落后的处置。

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，在保证机组安全运行条件下，汽机旁路系统容量设计应考虑满足机组不同状态的快速启停、汽机热态保护、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（日照电厂旁路容量为30%，汽机冲转前锅炉受热面冲洗，蒸汽流量太小，冲洗效果较差）。

（二）调试阶段控制措施

1.严格控制机组首次启动前的酸洗和吹管工艺

1.1 酸洗时尽量扩大清洗范围，对清洗药品和工艺进行严格控制。由于超超临界锅炉蓄热能力小，锅炉降压吹管很难保证吹管系数或者说有效吹管时间短，但稳压吹管参数波动较小，不利于受热面上的氧化膜剥落。因此超超临界锅炉吹管可采取稳压与降压相结合方式一提高吹管效果，另外应控制好酸洗和吹管的工期，尽量缩短酸洗与吹管，吹管与机组整套启动之间的时间间隔。

2.严格进行锅炉冷态空气动力场试验和燃烧调整试验

2.1 这两项试验要确保达到厂家规定的要求，以减小锅炉热偏差和受热面局部过热现象。

（三）机组运行控制措施

1. 减缓氧化皮生成的防治措施

1.1 严禁锅炉超温、超负荷运行，应建立台账，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。

1.2 严格控制锅炉横断面各管屏温度偏差，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。

1.3 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）作为汽温主要调整手段，避免用一、二级减温水打开大关调整汽温。

1.4在锅炉启动时，制定蒸汽吹扫受热面氧化皮的措施，利用高、低压旁路进行受热面大流量冲洗，在锅炉启、停和升、降负荷过程中，负荷速率变化要慢，避免受热面壁温波动过大。

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.防止氧化皮大面积剥落措施

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 等离子点火装置的锅炉启动时，在锅炉点火初期燃料量控制要细心，缓慢提升炉膛温度。

2.3 一般情况下，锅炉启停次数越多，发生氧化皮爆管机率越大，因此，应尽量减少机组启停次数，尤其避免短时间内多次启停。

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。

2.5 机组跳闸，锅炉停止运行后，应尽量减缓炉内温度下降速度。

3.防止氧化皮少量脱落清理措施

3.1锅炉启动时，应进行锅炉管蒸汽吹扫，利用高、低

压旁路进行受热面大流量冲洗。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。

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。

3.3 调整锅炉运行，避免受热面出现烟温偏差，防止受热面局部超温。

3.4 对锅炉进行停炉检修时，停炉后要闷炉24小时，在炉内温度降低到50℃后，再打开炉门进行通风，严禁急冷急停。

五.检查检修措施

1.加强停炉时检查与检测，利用每次停炉机会对末级过热器、末级再热器进行宏观检查，对发现有问题部位及检测超温部位，应针对性进行硬度、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.新建机组在检查性大修中宜对高温过热器和高温再热器进行安全性评定，可通过射线或超声波检测。判断锅炉管内壁氧化皮的形成及剥落情况，同时进行金属检验和割管验证，科学评估金属材料的老化程度，据此确定相应改进方案。

3.锅炉累计运行时间超过10000小时后，应对T23管材

进行割管检验；累计运行超过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和风险评估。

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。

六.其它措施

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.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。

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。

总之，锅炉受热面管高温氧化皮产生和剥落机理比较复杂，氧化皮产生的危害比较大，因此锅炉厂家和电厂应重视受热面管氧化皮的产生。电厂平时通过加强对检修和运行管理，可以有效地减少氧化皮的生成和剥落速度。锅炉厂家在设计和选材方面，需重视金属氧化皮的产生，做好防治措施，减少因高温氧化皮形成造成爆管机组停运事故。