超臨界機(jī)組鍋爐高溫受熱面管內(nèi)氧化皮防治措施探討

廣州發(fā)展電力集團(tuán)有限公司 任彬

超臨界機(jī)組鍋爐高溫受熱面管內(nèi)氧化皮防治措施探討

廣州發(fā)展電力集團(tuán)有限公司 任彬

本文通過(guò)分析超臨界機(jī)組鍋爐高溫受熱面管，因氧化皮堵塞管道引起超溫爆管的原因，制定有效防范措施，并結(jié)合實(shí)際情況提出了不同的治理方法建議，以探討氧化皮防治措施和辦法，減少投入的同時(shí)降低氧化皮帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

超臨界機(jī)組鍋爐；管內(nèi)氧化皮；原因分析；防范措施

0 引言

早期的超（超）臨界機(jī)組鍋爐高溫受熱面管材主要有T23、T91、TP347H、TP347HFG及Super304H，或多或少都受到管內(nèi)氧化皮生成和剝落的困擾。廣東佛山某電廠(chǎng)600MW超臨界機(jī)組就因氧化皮集中剝落堵塞管道，造成管道短期超溫爆管數(shù)次。該廠(chǎng)末級(jí)過(guò)熱器管屏共82屏，每屏有12圈“W”形管子。入口段（冷段）管子的材質(zhì)為T(mén)23和T91，出口段（熱段）管子的材質(zhì)為T(mén)91和TP347H，其中TP347H材質(zhì)的管子，僅布置在每屏末級(jí)過(guò)熱器熱段的最外第1、2、3、4、6根管子的出口端豎直段部分，管道規(guī)格為Φ38×7。該廠(chǎng)兩臺(tái)機(jī)組分別是2011年6月和10月投產(chǎn)，至今已發(fā)生7次因氧化皮集中剝落導(dǎo)致爆管的事件，機(jī)組投產(chǎn)至今末級(jí)過(guò)熱器爆管情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

1 原因分析

1.1 氧化皮的生成、剝落機(jī)理

水蒸汽在高溫下分解成氫氣和氧氣，受熱面管在高溫水蒸汽中發(fā)生氧化，當(dāng)水蒸氣溫度在某一溫度以上時(shí)，有較強(qiáng)的氧化性。本超臨界機(jī)組過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽額定溫度為571℃，由于高溫蒸汽對(duì)鋼材的氧化作用，過(guò)熱器、再熱器內(nèi)壁氧化皮的生成、生長(zhǎng)是不可避免的；且氧化皮均經(jīng)歷生成、長(zhǎng)大、剝落、再生成等過(guò)程。

氧化皮的剝落與管材材質(zhì)、氧化皮的厚度、溫度變化率及其溫度變化所引起的應(yīng)力變化，氧化皮的組成等因素有關(guān)。T23T91材質(zhì)管道內(nèi)壁剝落平均厚度為0.21mm左右，TP347H材質(zhì)管道內(nèi)壁剝落平均厚度為0.092mm左右。

1.2 爆管部位分析

爆管部位均是末級(jí)過(guò)熱器出口端豎直管段下彎頭，且豎直管段均有TP347H材質(zhì)管段。進(jìn)行多次氧化皮外觀(guān)判斷及成分檢測(cè)顯示大部分氧化皮由TP347H材質(zhì)管道生成、剝落，與T23、T91、TP347H管材氧化皮的生成、剝落機(jī)理一致。

1.3 汽溫及過(guò)熱器、再熱器管壁超溫

經(jīng)查機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)歷史曲線(xiàn)及主、再熱蒸汽超溫記錄，主蒸汽在一次機(jī)組RB動(dòng)作后出現(xiàn)過(guò)持續(xù)2分16秒的超溫情況（超過(guò)額定值571℃），最高瞬時(shí)值為584.169℃，而此次管壁最高溫度為589.1℃。除本次主汽溫超溫外，沒(méi)有再發(fā)生過(guò)主、再熱蒸汽超溫現(xiàn)象。

表1 機(jī)組投產(chǎn)至今末級(jí)過(guò)熱器爆管情況統(tǒng)計(jì)

經(jīng)查機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)歷史曲線(xiàn)及過(guò)熱器、再熱器管壁超溫記錄，過(guò)熱器、再熱器管壁最高為590℃左右（每次爆管前的短期管壁溫值除外），考慮到大罩內(nèi)管壁溫度測(cè)點(diǎn)值與爐內(nèi)管壁實(shí)際溫度有30-50℃的差值，爐內(nèi)管壁溫度最高為620-640℃。未超過(guò)管材許用溫度。

由此可以看出不存在主、再熱蒸汽及過(guò)熱器、再熱器管壁長(zhǎng)期超溫現(xiàn)象，這方面的因素可以排除。

1.4 減溫水的使用

由于I級(jí)減溫器前蒸汽溫度控制得較高，過(guò)熱器減溫水調(diào)節(jié)品質(zhì)不良及負(fù)荷波動(dòng)大等原因，存在大流量使用減溫水的現(xiàn)象，有時(shí)甚至超過(guò)100t/h。減溫水的過(guò)量使用加速了管內(nèi)壁氧化皮的生成和剝落。

1.5 吹管方式

基建時(shí)吹管采取將分離器壓力穩(wěn)壓在5.0-6.0Mpa，對(duì)過(guò)熱器、主蒸汽管道進(jìn)行吹管，即為穩(wěn)壓吹管，不是變壓吹管。吹管方式得當(dāng)，這方面的因素可以排外。

1.6 汽化品質(zhì)

追溯以往汽化品質(zhì)檢驗(yàn)、化驗(yàn)結(jié)果，汽化品質(zhì)均達(dá)標(biāo)運(yùn)行，這方面的因素也可以排外。

1.7 保養(yǎng)方式

該廠(chǎng)兩臺(tái)機(jī)組早期是采用加聯(lián)氨后余熱烘干，近期直接采用余熱烘干法。兩臺(tái)機(jī)組脫硫吸收塔前沒(méi)有安裝GGH，機(jī)組停運(yùn)初期吸收塔內(nèi)液位仍較高，從防止潮濕、酸性氣體反流至引風(fēng)機(jī)、除塵器等方面考慮，2013年7月18日第一爆管前的停爐均沒(méi)有及時(shí)停運(yùn)引風(fēng)機(jī)，而是長(zhǎng)時(shí)間小開(kāi)度讓引風(fēng)機(jī)一直運(yùn)行著，對(duì)鍋爐進(jìn)行了強(qiáng)制冷卻，對(duì)鍋爐受熱面管壽命造成了致命傷害。這也是機(jī)組投產(chǎn)兩年就出現(xiàn)因氧化皮剝落造成爆管的主要原因。

2 防范措施

2.1 鍋爐啟動(dòng)過(guò)程控制

啟動(dòng)過(guò)程中需嚴(yán)格做好溫度、壓力變化率控制工作。

2.1.1 用油槍點(diǎn)火，避免等離子燃燒器點(diǎn)火，沖擊太大。機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，起壓前，爐水溫升率（分離器疏水溫度）≤1.0℃/min；起壓后至并網(wǎng)前（主汽壓≥0.5MPa），主蒸汽溫升率≤1.0℃/min；投初臺(tái)磨時(shí)（15分鐘以?xún)?nèi)），力求主蒸汽溫升率≤2.0℃/min；并網(wǎng)后（并網(wǎng)初期10分鐘內(nèi)≤2.5℃/min），主蒸汽溫升率≤1.0℃/min。

2.1.2 升溫、升壓過(guò)程中，用鍋爐燃燒率的增加與汽機(jī)旁路開(kāi)度相配合來(lái)進(jìn)行汽壓、汽溫的控制，防止再熱器干燒。汽機(jī)旁路配合控制汽壓升速率，盡可能地保持旁路在較大開(kāi)度，熱態(tài)沖洗前，主汽壓升壓速度≤0.05MPa/min。熱態(tài)沖洗至機(jī)組并網(wǎng)后，過(guò)、再熱蒸汽升壓速度≤0.1MPa/min。

2.1.3 機(jī)組負(fù)荷低于150 MW，不投減溫水；負(fù)荷高于150MW，如需投減溫水須謹(jǐn)慎，減溫水調(diào)門(mén)開(kāi)度要手動(dòng)微調(diào)，平穩(wěn)調(diào)節(jié)，避免減溫器后汽溫突變，防止減溫器后蒸汽進(jìn)入飽和狀態(tài)。

2.1.4 汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前，汽機(jī)高、低旁路維持較大開(kāi)度，利于汽水系統(tǒng)固體顆粒、氧化皮等雜質(zhì)沖洗；化驗(yàn)汽、水品質(zhì)合格后，才允許汽機(jī)沖轉(zhuǎn)。

2.2 鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程控制

2.2.1 鍋爐正常穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，控制主、再熱蒸汽溫度變化率≤1.0℃/min。

2.2.2 加強(qiáng)受熱面的熱偏差監(jiān)視和調(diào)整，防止受熱面超溫運(yùn)行。鍋爐運(yùn)行中盡力控制爐左右側(cè)I級(jí)減溫器前主蒸汽溫度偏差≤20℃，爐左右側(cè)過(guò)熱器出口主蒸汽溫度及爐左右側(cè)再熱器出口溫度偏差≤10℃。且需按照溫度高點(diǎn)控制蒸汽溫度，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)調(diào)整、處理。

2.2.3 機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，末過(guò)、高再金屬管壁溫度≤595℃為限，主、再蒸汽汽溫≤571℃為限；運(yùn)行中嚴(yán)格控制過(guò)熱器出口蒸汽溫度和受熱面管壁溫度。為減緩氧化皮的生成，嚴(yán)格控制末級(jí)過(guò)熱器和高溫再熱器金屬管壁溫度≤595℃，在此基礎(chǔ)上，盡量提高主蒸汽和再熱蒸汽溫度，以保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，但不允許超過(guò)額定值。主、再蒸汽溫度的控制服從管壁溫度，如發(fā)現(xiàn)末級(jí)過(guò)熱器管壁溫度超過(guò)595℃，經(jīng)調(diào)整風(fēng)量、二次風(fēng)門(mén)及進(jìn)行及蒸汽吹灰后無(wú)效，需適當(dāng)降低中間點(diǎn)溫度運(yùn)行，或?qū)⒅髌麥卦龠m當(dāng)降低。

2.2.4 機(jī)組正常運(yùn)行中，采用中間點(diǎn)溫度來(lái)控制主汽溫，減小減溫水用量，不允許出現(xiàn)減溫水用量大而中間點(diǎn)溫度在正偏置的情況。使用減溫水，操作須平穩(wěn)，避免大幅開(kāi)啟或關(guān)小減溫水導(dǎo)致過(guò)熱器、再熱器管壁溫度劇降引起氧化皮脫落。過(guò)熱器或再熱器減溫水總量不得超過(guò)蒸汽流量的5%，任何工況下減溫后蒸汽溫度應(yīng)比其對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度高20℃以上。減溫水調(diào)整安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)。

2.2.5 機(jī)組并網(wǎng)后進(jìn)行7天的降溫運(yùn)行，爐側(cè)主汽溫控制在540℃以?xún)?nèi)。

2.3 鍋爐停爐過(guò)程控制

2.3.1 機(jī)組正常停機(jī)采用滑停方式，控制蒸汽溫度下降速率≤1.0℃/min，嚴(yán)格控制降負(fù)荷過(guò)程中的末級(jí)過(guò)熱器管壁金屬溫度溫降速率。

2.3.2 滑停過(guò)程汽溫控制以降低燃料為主要手段，減溫水的使用要適當(dāng)，（整個(gè)滑停過(guò)程中過(guò)熱器或再熱器減溫水總量不得超過(guò)蒸汽流量的5%），避免減溫器后汽溫突變，防止減溫器后蒸汽進(jìn)入飽和狀態(tài)；減溫后蒸汽溫度應(yīng)比其對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度高30℃以上。

2.3.3 機(jī)組停運(yùn)后，保持送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行5-10分鐘后停止運(yùn)行（爐內(nèi)管道有泄漏時(shí)適當(dāng)增加時(shí)間，以抽出泄漏蒸汽），關(guān)閉鍋爐及煙道所有風(fēng)門(mén)擋板進(jìn)行悶爐72小時(shí)左右（具體時(shí)間以末級(jí)過(guò)熱器和末級(jí)再熱器金屬管壁溫度≤200℃為準(zhǔn)）；悶爐結(jié)束后，開(kāi)啟風(fēng)煙系統(tǒng)風(fēng)門(mén)、擋板進(jìn)行自然通風(fēng)冷卻。末級(jí)過(guò)熱器和末級(jí)再熱器金屬管壁溫度≤180℃可以啟動(dòng)風(fēng)機(jī)小開(kāi)度進(jìn)行通風(fēng)冷卻。燜爐過(guò)程中禁止進(jìn)行給水冷卻。

2.3.4 汽機(jī)破壞真空前應(yīng)確認(rèn)高旁關(guān)閉、再熱器減溫水隔絕，通過(guò)開(kāi)啟低旁及機(jī)側(cè)再熱器管道疏水對(duì)再熱器系統(tǒng)抽真空至再熱汽壓為負(fù)。然后隔絕機(jī)、爐兩側(cè)再熱蒸汽系統(tǒng)。機(jī)組停運(yùn)一次汽水系統(tǒng)后按運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行熱爐放水，開(kāi)啟相應(yīng)系統(tǒng)的所有放水閥、疏水閥及排空氣閥。現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)爐水已放盡，系統(tǒng)內(nèi)余汽已排盡后方可關(guān)閉爐側(cè)所有放水閥、疏水閥及排空氣閥，并確認(rèn)機(jī)側(cè)主、再熱蒸汽管道疏水閥關(guān)閉。

2.3.5 機(jī)組事故停機(jī)具體操作需按運(yùn)行規(guī)程執(zhí)行。分離器出口壓力＜4Mpa后的過(guò)程溫度變化率控制參照滑停方式的過(guò)程溫度變化率控制。

2.4 加強(qiáng)聯(lián)絡(luò)，形成廠(chǎng)網(wǎng)共防機(jī)制

加強(qiáng)與調(diào)度相關(guān)部門(mén)的溝通、協(xié)調(diào)，客觀(guān)反映事實(shí)，為確保機(jī)組及電網(wǎng)的安全運(yùn)行，爭(zhēng)取機(jī)組啟動(dòng)初期高負(fù)荷連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。雙機(jī)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡可能通過(guò)調(diào)整兩臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷，優(yōu)先讓剛并網(wǎng)的機(jī)組帶更高的負(fù)荷（500MW以上），甚至是滿(mǎn)負(fù)荷；以提高蒸汽攜帶氧化皮的能力，減少氧化皮堆積在下彎頭堵塞管道造成超溫爆管的風(fēng)險(xiǎn)。

以該廠(chǎng)機(jī)組600MW和300MW兩個(gè)典型工況為例，600MW時(shí)過(guò)熱蒸汽壓力為25.4Mpa，溫度571℃，流速14.07m/s；300MW時(shí)過(guò)熱蒸汽壓力為15.6Mpa，溫度571℃，流速9.85m/s；

經(jīng)計(jì)算得知：600MW工況額定溫度、額定壓力下的過(guò)熱蒸汽動(dòng)能是300MW的3.53倍；在剝落、堆積的氧化皮顆粒大小、重量相同的情況下，機(jī)組負(fù)荷（過(guò)熱蒸汽壓力）越高，管內(nèi)氧化皮更容易被攜帶走。

3 治理方法

從國(guó)內(nèi)超（超）臨界機(jī)組鍋爐運(yùn)行結(jié)果看，正常情況下奧氏體不銹鋼( TP347H、TP347HFG)高溫受熱面管材運(yùn)行25000-30000小時(shí)會(huì)出現(xiàn)氧化皮剝落的高發(fā)期，馬氏體耐熱鋼(T23、T91)高溫受熱面管材運(yùn)行50000-60000小時(shí)會(huì)出現(xiàn)氧化皮剝落的高發(fā)期。目前治理方法只要有逢停必檢、割管清理；管材升級(jí)——局部或整體換管；化學(xué)清洗；化學(xué)清洗及局部換管相結(jié)合的方法。

3.1 逢停必檢、割管清理

利用每次停機(jī)機(jī)會(huì)進(jìn)行檢測(cè)、清理，在一定程度上可以降低堵管風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)停機(jī)時(shí)間有要求，增加了檢修時(shí)間。雖然每次清理費(fèi)用看似不高，但不可靠，不安全；仍存在機(jī)組經(jīng)停運(yùn)檢測(cè)、清理再啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)爆管的風(fēng)險(xiǎn)。該廠(chǎng)7次爆管中有6次就是這類(lèi)情況。

3.2 管材升級(jí)——局部或整體換管

管材選擇恰當(dāng)，幾年內(nèi)可避免氧化皮問(wèn)題出現(xiàn)，但更換后的新管，表面沒(méi)有“富鉻層”的保護(hù)，氧化皮的生長(zhǎng)速度會(huì)較快。從目前運(yùn)用情況看，除噴丸管和HR3C外，其它管材運(yùn)行幾年后仍然面臨氧化皮脫落風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)較安全，但不經(jīng)濟(jì)，費(fèi)用較高。據(jù)了解，將一臺(tái)爐末級(jí)過(guò)熱器管材全部更換需4000萬(wàn)元左右。

3.3 化學(xué)清洗

化學(xué)清洗只清除管內(nèi)外層容易脫落的氧化皮，保留與金屬基體緊密接觸的“富鉻層”，可大大減緩氧化皮生長(zhǎng)速度。但面臨著技術(shù)難度大，廢液量大，清洗過(guò)程控制不當(dāng)容易出現(xiàn)腐蝕等問(wèn)題。清洗方案得當(dāng)，在清洗后數(shù)年內(nèi)安全；相對(duì)換管也比較經(jīng)濟(jì)一些，一臺(tái)爐末級(jí)過(guò)熱器、再熱器化學(xué)清洗需700萬(wàn)元左右。

DL/T438-2016火力發(fā)電廠(chǎng)金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程第9.3.18a）中規(guī)定：T23T91等馬氏體耐熱鋼管材老化達(dá)到5級(jí)（按DL/T884執(zhí)行老化評(píng)級(jí)），奧氏體不銹鋼管材老化達(dá)4級(jí)（按DL/T1422執(zhí)行老化評(píng)級(jí)）需進(jìn)行材質(zhì)評(píng)定和壽命評(píng)估，文中例舉電廠(chǎng)T91和TP347H管材老化級(jí)別為2級(jí)，從管材壽命及投資費(fèi)用角度考慮，目前不建議采用整體換管方式，而采用化學(xué)清洗方法進(jìn)行治理既經(jīng)濟(jì)又安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

氧化皮問(wèn)題是超（超）臨界機(jī)組普遍存在和共同面對(duì)的一個(gè)“世界性”難題，目前電力企業(yè)機(jī)組負(fù)荷率低、機(jī)組利用小時(shí)數(shù)低又增加了日常防范的難度。日常除做好如嚴(yán)禁停機(jī)后快速冷卻，嚴(yán)禁超溫運(yùn)行，嚴(yán)禁在汽、水品質(zhì)不達(dá)標(biāo)的情況繼續(xù)運(yùn)行等影響鍋爐壽命的基本要求外，還需從控制溫度變化率、慎用減溫水、進(jìn)行燃燒調(diào)整等方面來(lái)進(jìn)行調(diào)整和預(yù)防；同時(shí)加強(qiáng)與電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)的溝通，爭(zhēng)取機(jī)組啟動(dòng)初期能高負(fù)荷連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；形成廠(chǎng)網(wǎng)共防機(jī)制。以減緩氧化皮生成，防止氧化皮集中剝落堵塞管道造成爆管和沖蝕汽輪機(jī)葉片。

對(duì)于治理方法，需根據(jù)機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)、氧化皮的嚴(yán)重程度和高溫受熱面管老化程度進(jìn)行選擇。氧化皮量少且只是局部有時(shí)，則建議采取割管清理的方法；氧化皮已較嚴(yán)重，但高溫受熱面管老化只有3級(jí)以下，結(jié)合發(fā)電企業(yè)利潤(rùn)，兼顧安全和成本，建議采用化學(xué)清洗方法；如氧化皮較嚴(yán)重，且高溫受熱面管老化已達(dá)4-5級(jí)，結(jié)合管材材質(zhì)評(píng)定和壽命評(píng)估，則采用換管方式。

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