超臨界直流鍋爐氧化皮脫落原因及預(yù)防策略探討

摘要：由于超臨界直流鍋爐在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)因高溫受熱而導(dǎo)致氧化皮的脫落，進(jìn)而對(duì)鍋爐設(shè)備的運(yùn)行效率和設(shè)備質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響?；诖?，本文以超臨界直流鍋爐作為主要研究對(duì)象，通過對(duì)其概念與特點(diǎn)進(jìn)行闡述和分析，在結(jié)合其氧化皮形成機(jī)理與脫落原因的基礎(chǔ)上，對(duì)預(yù)防超臨界直流鍋爐氧化皮脫落的相關(guān)策略展開了研究。

關(guān)鍵詞：超臨界直流鍋爐；氧化皮脫落；預(yù)防策略；氧化反應(yīng)；高溫受熱面 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TK229 文章編號(hào)：1009-2374（2016）32-0058-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.028

超臨界直流鍋爐內(nèi)的高溫受熱面發(fā)生氧化作用而形成氧化層、氧化層脫落是十分普遍的現(xiàn)象，然而如果在超臨界直流鍋爐的使用過程中沒有給予其足夠的重視度，采取相應(yīng)的有效處理措施，會(huì)導(dǎo)致超臨界直流鍋爐在長(zhǎng)期的使用中，氧化層脫落越來越多，發(fā)生堵塞爐管，甚至爆管的現(xiàn)象，不僅會(huì)對(duì)超臨界直流鍋爐正常運(yùn)行帶來影響，還有可能造成人員傷亡等嚴(yán)重的問題，因此圍繞超臨界直流鍋爐氧化皮脫落原因及預(yù)防策略為中心展開細(xì)致的分析探討是有著重要意義的，以下是具體內(nèi)容。

1 超臨界直流鍋爐的定義

鍋爐內(nèi)工質(zhì)壓力處在臨界點(diǎn)之上時(shí)的鍋爐即超臨界直流鍋爐。一般情況下鍋爐內(nèi)工質(zhì)都為水，22.115MPa、374.15℃是水的臨界壓力和臨界溫度，處在這個(gè)狀態(tài)下的水和蒸汽其轉(zhuǎn)化為汽化的潛熱為零，鍋爐內(nèi)工質(zhì)壓力在22.115MPa之下即亞臨界鍋爐，鍋爐內(nèi)工質(zhì)壓力在26MPa上即超臨界直流鍋爐。

2 超臨界直流鍋爐氧化層的形成機(jī)理

超臨界直流鍋爐運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)的溫度達(dá)到550℃～570℃，而這一溫度正好處在水蒸氣氧化能力極強(qiáng)的區(qū)間之內(nèi)，在處于這個(gè)溫度時(shí)水蒸氣對(duì)于金屬物質(zhì)的受熱面氧化能力比空氣的氧化能力要強(qiáng)十幾倍，因此很容易在超臨界直流鍋爐的內(nèi)壁上發(fā)生氧化作用，從而形成氧化層。

在超臨界直流鍋爐內(nèi)，高溫水蒸氣和內(nèi)壁金屬物質(zhì)在550℃～570℃下會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化作用，其內(nèi)壁金屬物質(zhì)生成氧化物的主要化學(xué)反應(yīng)過程為：首先發(fā)生3Fe3+4H2O=Fe3O4+4H2反應(yīng)，同時(shí)在超臨界直流鍋爐內(nèi)高溫水蒸汽和金屬鐵之間，還可能存在Fe+2H2O=FeO2+2H2、O2+2H2=2H2O、Fe（Fe2+）+O2（O2-）=FeO三種化學(xué)反應(yīng)的平衡，致使超臨界直流鍋爐內(nèi)壁的金屬鐵不斷被氧化為氧化鐵變成氧化層。

在超臨界直流鍋爐的內(nèi)高溫再熱器和高溫過熱器管內(nèi)有高溫蒸汽通過時(shí)，金屬Fe就會(huì)和高溫水蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一開始形成Fe3O4，F(xiàn)e3O4會(huì)形成一層氧化膜，同時(shí)這層氧化膜還是富有韌性和致密的，在這層膜形成之后，鍋爐內(nèi)壁的鐵被氧化的速度就減慢。隨著氧化反應(yīng)時(shí)間的不斷加長(zhǎng)，這層氧化就會(huì)變成由多層的Fe3O4、Fe2O3和FeO組成，而當(dāng)水蒸汽溫度在565℃之下時(shí)氧化膜多為Fe3O4和Fe2O3；當(dāng)水蒸氣溫度在565℃以上時(shí)氧化膜多為FeO。

3 超臨界直流鍋爐氧化皮的脫落原因

隨著超臨界直流鍋爐內(nèi)壁氧化膜的厚度不斷增加，氧化膜會(huì)因?yàn)槠渑蛎浵禂?shù)的變化而發(fā)生脫落現(xiàn)象。隨著鍋爐的內(nèi)部高溫環(huán)境運(yùn)行的繼續(xù)，鍋爐內(nèi)壁的氧化作用會(huì)不斷發(fā)生，再加上溫度和水分的影響，會(huì)導(dǎo)致鍋爐內(nèi)壁的金屬氧化層大面積的脫落，還可能會(huì)導(dǎo)致爐管的堵塞，造成爆管的發(fā)生。細(xì)致分析超臨界直流鍋爐氧化層脫落，可以得出以下原因：

3.1 爐管材質(zhì)的性能差異

目前大多數(shù)的超臨界直流鍋爐的爐管都以合金為主，合金中Cr的含量多少?zèng)Q定了爐管材料的不同，進(jìn)而決定其抗氧化性和耐熱性的性能不同，在使用超臨界直流鍋爐時(shí)通常需要根據(jù)實(shí)際使用的環(huán)境，選用最合適的Cr含量的爐管，來避免爐管的氧化過快。然而如果爐管的使用環(huán)境和Cr含量之間并沒有合理的匹配，就會(huì)導(dǎo)致在鍋爐運(yùn)行的過程中發(fā)生氧化速度極快的現(xiàn)象，進(jìn)而氧化層的生產(chǎn)加速，導(dǎo)致行程的氧化層的快速脫落。

3.2 管壁溫度過高

很多超臨界直流鍋爐的內(nèi)壁已經(jīng)有了很厚氧化層，但仍然在繼續(xù)使用，這會(huì)導(dǎo)致氧化層很厚處的爐壁實(shí)際厚度增加，進(jìn)而導(dǎo)致爐管的局部溫度升高，又促使氧化反應(yīng)加速，氧化層厚度繼續(xù)增加，這樣的惡性循環(huán)會(huì)致使氧化層厚度達(dá)到一定程度之后發(fā)生大面積的脫落。

3.3 機(jī)組啟停的熱應(yīng)力

在超臨界直流鍋爐的正常啟動(dòng)和停止中都需要大量的熱負(fù)荷，來實(shí)現(xiàn)水循環(huán)流量達(dá)到鍋爐啟停所需的流量，而在啟停時(shí)高熱負(fù)荷作用的影響下，超鍋爐管會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的干燒狀態(tài)，而干燒狀態(tài)下的氧化層就極易脫落。一般情況下在鍋爐的啟停時(shí)都會(huì)采取相應(yīng)的降溫措施，保持鍋爐管的溫度穩(wěn)定，然而這個(gè)措施又會(huì)產(chǎn)生大量的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力又會(huì)加速氧化反應(yīng)，進(jìn)而加速氧化層的脫落。根據(jù)目前的技術(shù)研究，鍋爐的氧化層脫落，很大一部分是由熱應(yīng)力作用形成的。另外，若鍋爐停止運(yùn)行，鍋爐內(nèi)的溫度迅速降低，會(huì)使得鍋爐內(nèi)的負(fù)荷量瞬間降低，這會(huì)和鍋爐機(jī)組在運(yùn)行時(shí)的熱負(fù)荷量產(chǎn)生巨大的落差，也可形成熱應(yīng)力，進(jìn)而致使超臨界直流鍋爐管的氧化反應(yīng)加速和脫落加速。

4 超臨界直流鍋爐氧化皮脫落的預(yù)防措施

4.1 對(duì)材質(zhì)的科學(xué)設(shè)計(jì)與選擇

超臨界直流鍋爐發(fā)生氧化反應(yīng)和氧化層脫落與超臨界直流鍋爐的自身材料有著極其重要的聯(lián)系，因此在對(duì)超臨界直流鍋爐的材料選擇和設(shè)計(jì)時(shí)，必須做到科學(xué)合理，目前高晶粒度等級(jí)的鋼材是較好的鍋爐材料選擇?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)的鍋爐制造材料多采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鋼材，然而目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鋼材在其晶粒度上和國(guó)外先進(jìn)鋼材的晶粒度還存在著一定的差距，所以在鍋爐鋼材選擇要盡量選擇晶粒度等級(jí)高的鋼材。另外，除了晶粒度等級(jí)之外，鍋爐制作材料的抗高溫性和抗氧性也是非常重要的影響因素。因此超臨界直流鍋爐制造企業(yè)在對(duì)鍋爐鋼材的選擇時(shí)，要積極引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，提升我國(guó)鋼料的晶粒度等級(jí)和抗高溫性、抗氧化性。在超臨界直流鍋爐制造中必須嚴(yán)格把握質(zhì)量關(guān)，提高制造工藝，避免焊接縫、厚度不均勻的問題。總之，在超臨界直流鍋爐的制作過程中必須對(duì)制造鋼材的選擇和設(shè)計(jì)嚴(yán)格控制，減少鍋爐的氧化層形成和脫落，保障超臨界直流鍋爐的正常、安全運(yùn)行。

4.2 安裝工藝的改善與焊接條件的控制

要保障超臨界直流鍋爐氧化層形成以及氧化層脫落問題的有效控制，在超臨界直流鍋爐的安裝過程中就需要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格規(guī)范。首先，對(duì)于安裝工人的專業(yè)技能、安裝技術(shù)要有明確的要求，尤其是過熱器、再熱器等容易出現(xiàn)偏差的地方更要安裝得特別精準(zhǔn)；其次，在安裝之前要再次確定鍋爐爐體質(zhì)量的過關(guān)，確定爐管內(nèi)沒有異物，確定安裝環(huán)境的適合，在安裝完成之后為了保障穩(wěn)定性還需要對(duì)疏水管、爐管等重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行檢查；最后，在超臨界直流鍋爐焊接時(shí)要保障焊接質(zhì)量，避免不同類型的鋼材進(jìn)行焊接，受到目前焊接技術(shù)和工藝的影響對(duì)異種鋼進(jìn)行焊接很難實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量保障，易出現(xiàn)受熱不均等問題，導(dǎo)致鍋爐氧化層的形成和脫落。

4.3 加強(qiáng)超臨界直流鍋爐的管理

加強(qiáng)運(yùn)行環(huán)節(jié)超臨界直流鍋爐的管理也是有效減少鍋爐氧化層形成和脫落的有效途徑之一。首先，在鍋爐的運(yùn)行過程中要加強(qiáng)對(duì)鍋爐的管理，一般情況下在氧化層形成之后并不會(huì)馬上對(duì)鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生影響，需要其脫落累積一定的量后才會(huì)有明顯的影響，因此加強(qiáng)鍋爐的日常管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)氧化層的形成和脫落現(xiàn)象，究其原因并解決，可有效地降低可能出現(xiàn)的問題；其次，加強(qiáng)對(duì)超臨界直流鍋爐的汽水質(zhì)量檢查監(jiān)督。按照規(guī)定在超臨界直流鍋爐運(yùn)行之前都會(huì)對(duì)鍋爐使用除鹽水，需要水質(zhì)合格才能使用，因此加強(qiáng)這方面的監(jiān)督，保證其嚴(yán)格的執(zhí)行，有效地實(shí)現(xiàn)鍋爐的管理；最后，可以對(duì)現(xiàn)有的超臨界直流鍋爐的運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化。定期對(duì)鍋爐采取吹灰工作，保持鍋爐的清潔，避免局部過熱而產(chǎn)生氧化層形成和脫落問題。另外對(duì)鍋爐運(yùn)行中的煤水比也必須做到合理、科學(xué)，最大程度地減少減溫水的使用，保障超臨界直流鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)對(duì)超臨界直流鍋爐機(jī)組的使用投入量要盡可能的達(dá)到100%，提高超臨界直流鍋爐的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

綜上所述，超臨界直流鍋爐在運(yùn)行過程中多處于550℃～570℃的高溫環(huán)境之下，再加之超臨界直流鍋爐啟停導(dǎo)致的頻繁熱負(fù)荷變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，鍋爐的爐管內(nèi)壁會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，其形成的氧化層也會(huì)脫落，對(duì)鍋爐的運(yùn)行穩(wěn)定和安全有著嚴(yán)重的影響，因此需要從材質(zhì)的科學(xué)設(shè)計(jì)與選擇、安裝工藝的改善與焊接條件的控制和加強(qiáng)超臨界直流鍋爐的管理等方面，對(duì)超臨界直流鍋爐的爐管內(nèi)壁氧化層的形成和脫落實(shí)現(xiàn)有效的控制，進(jìn)而提升超臨界直流鍋爐運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：蔡小緯（1982-），男，陜西渭南人，神華神東電力陜西富平熱電有限公司發(fā)電運(yùn)行部值長(zhǎng)。

（責(zé)任編輯：王 波）