超臨界鍋爐受熱面管內(nèi)氧化皮的防治措施研究

崔志光，劉紅權(quán)

(國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京 210031)

在電站鍋爐生產(chǎn)安全事故中，受熱面管的爆漏損壞事故是最為嚴重和常見的，一般占鍋爐事故的70%以上;火電廠鍋爐的“四管”爆漏引起的非計劃停運占機組非計劃停運事件的40%左右［1－3］;正常情況下，因“四管”爆漏而損失的發(fā)電量占全部事故少發(fā)電量的50%以上。近幾年來，超臨界機組中，因氧化皮堵塞過熱器、再熱器管，而造成爆管泄漏的事故，有上升趨勢，是影響超臨界機組安全運行的主要因素之一［4－5］。

1 受熱面管內(nèi)壁氧化皮產(chǎn)生、脫落原理

超臨界鍋爐運行溫度高，受熱面作為高溫高壓部件，因其惡劣的運行環(huán)境，造成了管材的氧化腐蝕。在機組運行過程中，受熱面管的腐蝕是由低氧壓環(huán)境下的氧化和水蒸汽氧化造成的，以水蒸汽氧化為主，水蒸汽能顯著加速Fe、Cr等合金的氧化速度，導(dǎo)致管壁有效厚度的減少，管壁的應(yīng)力也相應(yīng)增加;受熱面管形成內(nèi)壁氧化皮，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為母材的十幾分之一，惡化了管材的傳熱性能，因此容易導(dǎo)致受熱面管超溫運行。由于氧化皮的存在導(dǎo)致管壁溫度上升，這就說明了盡管運行溫度并不發(fā)生超溫，但此時受熱面管的工作溫度已經(jīng)超過管材額定溫度上限，造成受熱面管長期超溫運行;當(dāng)內(nèi)壁氧化皮增長到臨界厚度以上發(fā)生剝落，隨后開始新的氧化腐蝕循環(huán)。

受熱面的氧化腐蝕與溫度、時間、氧氣含量、蒸汽壓力和流速、鋼材成份、氧化皮成份等因素有關(guān)。通常認為:溫度越高，時間越長，介質(zhì)中氧的分壓越高，流速越快，氧化皮生成速度越快。一旦氧化皮堆積量影響管內(nèi)部介質(zhì)流通，將很快導(dǎo)致過熱爆管。

2 運行工況對氧化皮的影響

在高溫蒸汽運行工況中，奧氏體鋼在前1000h都迅速氧化;在1000h后氧化速度減緩;在2000h后氧化速度基本穩(wěn)定。溫度越高，氧化越快，氧化量高峰期來的越早，氧化皮越容易脫落。超臨界機組正常運行溫度為571℃，奧氏體鋼氧化高峰期應(yīng)在15000h左右;國內(nèi)機組氧化高峰期最早的在3100h左右，在650℃溫度運行時，奧氏體鋼氧化高峰期應(yīng)在2000h左右。

3 案例分析

某公司2號鍋爐為超臨界600MW鍋爐，型號為HG－1913/25.4－YM7，于2009年4月20日正式投入商業(yè)運營，2011年4月大修，其間啟停6次，共運行14800h。

在對末級過熱器管檢測的過程中，共檢測570個，發(fā)現(xiàn)氧化皮堆積最大高度約占管內(nèi)徑的90%;氧化皮堆積最大高度占管內(nèi)徑30%及以上的彎管65個，約占全部管數(shù)量的11.4%;占管內(nèi)徑50%及以上的彎管34個，約占全部管數(shù)量的5.9%。其中，夾持管內(nèi)氧化皮堆積較高，特別是7號位夾持管測試數(shù)據(jù)較大，需要割管清理。

4 減少氧化皮引起的超溫、爆管措施

4.1 機組運行措施

機組運行期間，影響氧化皮脫落有兩個主要因素:一是氧化層達到臨界脫落厚度及以上;二是在啟、停爐和變工況下，溫度變化幅度大、速度快、頻度多，氧化膜各層之間和氧化膜與基體金屬之間的熱應(yīng)力造成氧化皮分離、脫落。根據(jù)這兩個主要因素，應(yīng)從以下幾個方面制定出防范措施:

(1)嚴禁鍋爐超溫、超負荷運行。鍋爐受熱面選用T23管材時，其使用區(qū)域的管壁溫度不應(yīng)超過570℃，且汽溫不應(yīng)超過540℃;選用T91管材時，其使用區(qū)域的管壁溫度不應(yīng)超過600℃，且汽溫不應(yīng)超過570℃。

(2)在機組啟、停和快速變負荷時，升降溫度、壓力要平穩(wěn)，嚴格控制升溫和冷卻速度，避免過快的溫度變化，造成氧化皮的脫落。

(3)運行人員應(yīng)認真搞好燃燒調(diào)整，防止出現(xiàn)風(fēng)速過高、熱負荷過分集中、燃燒中心不合適、煙溫偏差大導(dǎo)致的受熱面管超溫，防止氧化皮快速生長。

(4)操作減溫水時，其投停和調(diào)節(jié)應(yīng)盡量平穩(wěn)或小幅操作，防止減溫水量脈沖式變化;低負荷時，盡量不投減溫水;減溫水的使用應(yīng)以一級粗調(diào)、二級微調(diào)為原則;防止汽溫、壁溫大幅波動。

(5)應(yīng)盡可能減少鍋爐啟停次數(shù)，尤其應(yīng)避免短時間內(nèi)多次啟停。避免緊急停爐、強迫快速冷卻，防止壁溫大幅快速下降，停爐后要盡量增加鍋爐保溫時間。

(6)機組啟動過程中，高、低壓旁路盡可能開大，使過熱器、再熱器有較大的通流量;汽機沖轉(zhuǎn)前可以適當(dāng)提高蒸汽參數(shù)，利用高、低壓旁路對過、再熱器進行沖洗。

(7)對于已發(fā)生大面積氧化皮脫落的鍋爐，可以適當(dāng)降溫運行，降溫幅度以管壁溫度不超過限值為基準(zhǔn)。

4.2 檢測、檢修措施

(1)利用每次停爐機會對末級過熱器和末級再熱器進行宏觀檢查，對發(fā)現(xiàn)問題部位及監(jiān)測超溫部位，應(yīng)安排末級過熱器高溫段出口彎頭的射線或超聲檢測，對堆積氧化皮的彎頭進行割管清理或更換。

(2)立式過熱器下部彎頭應(yīng)無腐蝕結(jié)垢，注意檢查內(nèi)壁氧化皮是否脫落，必要時割管對沉積物做垢樣成分分析;立式再熱器下部彎頭應(yīng)無腐蝕結(jié)垢，必要時割管對沉積物做垢樣成分分析。對高溫過熱器、高溫再熱器、屏式過熱器易于氧化皮剝落堆積的底部彎頭進行磁性檢測(不銹鋼管)、射線檢測。

(3)鍋爐累積運行時間超過10000h后，應(yīng)對T23管材進行割管檢驗;累積運行超過15000h后，應(yīng)對T91管材進行割管檢驗，并對鍋爐管運行狀況及發(fā)展趨勢進行分析、評估。

(4)及時檢測、清理管內(nèi)部脫落、堆積的氧化皮，并做好管內(nèi)部氧化皮的統(tǒng)計、分析等管理工作，以便于指導(dǎo)鍋爐運行控制。

4.3 其他措施

(1)金屬、鍋爐、熱工和化學(xué)等專業(yè)，從檢驗檢測、鍋爐運行控制、溫度控制、給水質(zhì)量控制、鍋爐氧量和氫量檢測等方面，綜合治理，從源頭上對氧化物的產(chǎn)生和剝落上予以控制。

(2)嚴防并加強焊接管理，防止受熱面管焊縫內(nèi)部焊瘤過大影響管的通流能力。

(3)要完善鍋爐受熱面管壁溫監(jiān)控系統(tǒng)，提高系統(tǒng)對鍋爐壁溫的監(jiān)控能力和對鍋爐運行的調(diào)控能力;加裝足夠數(shù)量的壁溫測點，以便監(jiān)控受熱面管的壁溫，為鍋爐運行調(diào)控，提供真實可靠數(shù)據(jù)。

［1］趙彥芬，范長信.鍋爐高溫部件的熱腐蝕［J］.熱力發(fā)電，1994，(2):15－18.

［2］劉崇剛.鍋爐高溫氧化皮的危害及其預(yù)防措施［J］.江蘇電機工程，2008，27(Z1):18 －20.

［3］李耀君.氧化皮脫落導(dǎo)致的過熱器爆管分析［J］.熱力發(fā)電，2006，41 －43.

［4］畢法森.超臨界機組氧化皮的產(chǎn)生與防范［J］.電力設(shè)備，2006，7(10):33－36.

［5］龍會國.鍋爐用奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮檢測的新方法［J］.動力工程學(xué)報，2010，30(7):54－58.