火電廠鍋爐氧化皮問題原因分析及預(yù)防措施

董 燦

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東揭陽 515223）

0 引言

氧化皮，顧名思義就是受熱面管內(nèi)在高溫下金屬材料與氧反應(yīng)生成的一種或多種氧化物，像一層皮一樣附著在內(nèi)外管表面故稱之為氧化皮。它是基材為Fe的管材表面在高溫下和與其接觸的蒸汽或者空氣中的氧氣氧化而形成的物質(zhì)，主要成分從內(nèi)向外分別為：氧化亞鐵（FeO）、四氧化三鐵（Fe3O4）、三氧化二鐵（Fe2O3）。其中 Fe3O4，F(xiàn)e2O3結(jié)構(gòu)致密，硬度高，附著性好，保護(hù)性強(qiáng)，而氧化亞鐵結(jié)構(gòu)較為疏松，保護(hù)作用較弱。

1 氧化皮產(chǎn)生原因

廣東粵電靖海發(fā)電有限公司600 MW鍋爐為東方廠制造的超臨界變壓本身直流爐，設(shè)計(jì)高過出口主蒸汽溫度571℃，高再出口569℃。管材材料方面低溫管段如省煤器和螺旋水冷壁分別采用SA-210和SA-213T2，稍高溫度等級管段如低溫過熱器和再熱器基本為15CrMoG和12Cr1MoVG，更高溫度等級的屏過高過和高再則采用SA-213T91以及SA-213TP347H等材料，為了增強(qiáng)抗腐蝕抗拉應(yīng)屈服和抗高溫變形能力，無論添加什么樣的稀有元素，占絕大多數(shù)的基本材料仍然為鋼鐵，就是Fe。在高溫環(huán)境下，管壁外部為充滿煙氣（含氧）的高溫爐膛或者煙道，管內(nèi)流通高溫水蒸汽或者干燒空氣（摻氧），這種環(huán)境下管材表面會被氧化反應(yīng)而生成Fe2O3，如果變工況啟停等壓力溫度波動多少會導(dǎo)致受熱面基本材料和氧化皮膨脹不同步，氧化皮會逐步產(chǎn)生裂紋，更深層次接觸氧的機(jī)會相對少會逐步氧化生成Fe3O4，再里層則生成氧化不夠充分的FeO，這就是氧化皮的基本成分。查閱資料，這種氧化反應(yīng)一般在溫度達(dá)到（560～600）℃時反應(yīng)相對活躍，對應(yīng)為屏過高過和高再區(qū)域，正好也是氧化皮產(chǎn)生和脫落的高發(fā)區(qū)。

2 氧化皮脫落、堵塞原因

一般只要反應(yīng)條件具備，化學(xué)反應(yīng)都在進(jìn)行，如果有催化劑存在時，反應(yīng)速度還會更快。因此持續(xù)運(yùn)行時，鍋爐管壁內(nèi)外表層都在持續(xù)產(chǎn)生氧化皮，氧化皮的厚度以先快后慢的速度在不斷增加，在鍋爐頻繁啟停和變負(fù)荷、調(diào)整不當(dāng)時，管材內(nèi)外溫度都在大幅度變化，尤其是外管壁，氧化皮會在拉伸擠壓的作用下裂開甚至脫落。在內(nèi)管壁，由于管徑小，加上靠近管壁粘滯阻力的影響，脫落的氧化皮最容易沉積在某些U形管處比如高過高再管屏的U形底部區(qū)域，久而久之就會造成內(nèi)管通流減少甚至完全堵塞。

3 氧化皮脫落堵塞的危害

脫落氧化皮，就等同于剝離了一部分基本的管材材料，必然導(dǎo)致這些脫落區(qū)域的管材變薄，偏離了設(shè)計(jì)的運(yùn)行環(huán)境，必然導(dǎo)致管材不再能夠安全承受許可的工況變化帶來的壓力溫度等的波動。另一方面，氧化皮的脫落等于失去了外部的保護(hù)屏障，導(dǎo)致裸露出的基本材料面臨一次先快后慢的氧化過程，形成了氧化—脫落—氧化—脫落這樣一個惡性循環(huán)。再者，在內(nèi)管壁，不管是運(yùn)行中的脫落還是鍋爐停爐受冷后引起的脆變脫落，都很容易集聚在相對容易凝結(jié)水汽的U形管等彎折部位，啟動初期蒸汽壓力低流量低無法有效吹走，增厚后即使正常運(yùn)行高壓力下也無法有效帶走，層層疊疊最終堵塞管道甚至堵死，一旦堵塞管道，蒸汽就無法有效通過吸熱帶走熱量，同時堵塞部位管材變厚造成熱量傳遞變慢變差，疊加效果就是管壁尤其是外管壁金屬溫度逐步上升甚至超出設(shè)計(jì)的允許溫度，管壁脹縮超出允許范圍而爆裂，即使暫時不爆管后期也絕對存在爆管的可能。汽輪機(jī)運(yùn)行中高速旋轉(zhuǎn)，氧化皮塊不僅容易集聚在調(diào)閥等節(jié)流部位造成主汽門、高調(diào)、中聯(lián)閥等卡澀動作遲緩，該開開不了，該關(guān)關(guān)不下去，一旦進(jìn)入汽輪機(jī)輕者通流部分附著結(jié)垢，嚴(yán)重的很可能打擊損傷葉片，影響汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。大量的氧化皮如果是在啟動初期走旁路大量進(jìn)入凝汽器，還會造成凝結(jié)水質(zhì)變差，相關(guān)濾網(wǎng)堵塞等可能的后果。

4 從運(yùn)行和檢修角度預(yù)防鍋爐受熱面氧化皮脫落

4.1 鍋爐啟動時嚴(yán)格控制蒸汽升溫升壓速度

機(jī)組冷態(tài)啟動時，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)定的升溫升壓曲線進(jìn)行，溫升率控制在（1.5～2）℃/min，壓升率控制在（0.1～0.2）MPa/min，點(diǎn)火初期蒸發(fā)量，應(yīng)及時投入煙溫探針控制爐膛出口煙溫，防止一二次氣區(qū)域管材內(nèi)外壁升溫過快甚至超限，與單純的煙氣畫面的測值相比更能直觀反應(yīng)爐膛熱負(fù)荷的急劇升高情況；當(dāng)主蒸汽溫度達(dá)到120℃逐步開啟高低旁后，應(yīng)逐步調(diào)整高低旁配合燃水控制主再熱氣壓氣溫的升速，整個過程需要精心調(diào)整穩(wěn)步進(jìn)行，直至沖轉(zhuǎn)條件滿足。

機(jī)組熱態(tài)啟動時，應(yīng)在啟動風(fēng)煙系統(tǒng)檢查正常后盡快調(diào)整風(fēng)量至35%～40%的低風(fēng)量盡快吹掃點(diǎn)火，過大的風(fēng)量較長的時間拖延只會達(dá)到適得其反的強(qiáng)冷效果，造成管壁金屬溫度急劇下降。

4.2 嚴(yán)格監(jiān)控爐水汽品質(zhì)

有如病從口入，在起停機(jī)和正常運(yùn)行中，應(yīng)加強(qiáng)對汽水品質(zhì)的監(jiān)視，給水質(zhì)量不良特別是水中含氧量較大時，會造成省煤器和水冷壁等受熱面的有氧腐蝕，溶入蒸汽的氧更會在過熱器和再熱器區(qū)域繼續(xù)氧化相關(guān)受熱面。鍋爐點(diǎn)火后，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行熱態(tài)清洗中的水質(zhì)檢查項(xiàng)目，由于水中的沉積物在190℃時達(dá)到最大，因此升溫至190℃（頂棚出口）時應(yīng)進(jìn)行水質(zhì)檢查，檢測水質(zhì)時停止鍋爐升溫升壓。

4.3 啟停及正常運(yùn)行中嚴(yán)格控制受熱面金屬溫度不超溫、不急升急降

啟動過程中，煤水控制格外注意，任何時候都要勤于調(diào)整給水，適應(yīng)壓力調(diào)門變化帶來的流量變化，維持分離器過熱度盡量穩(wěn)定或小幅度變化，最終是為了減少氣溫氣壓波動幅度，特別是在并泵、干濕態(tài)轉(zhuǎn)換、啟停磨、開關(guān)調(diào)閥等關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)格外注意氣溫氣壓的穩(wěn)定，并時不時翻看管壁金屬溫度變化情況。

啟爐初期和停爐末期，過熱汽和再熱汽溫控制應(yīng)謹(jǐn)慎使用減溫水，因?yàn)檎舭l(fā)量不夠產(chǎn)氣量很少很容易在減溫器區(qū)域積水，若該區(qū)域有氧化皮脫落沉積的話更容易粘結(jié)。轉(zhuǎn)正常運(yùn)行后，汽溫調(diào)整也應(yīng)提前、小幅度進(jìn)行，杜絕大開大關(guān)。

正常運(yùn)行后，應(yīng)盡量保持高過（高溫過熱器）高再（高溫再熱器）出口氣溫在設(shè)計(jì)額定值附近，高過高再出口控制在（555～575）℃，受熱面金屬溫度控制屏過（屏式過熱器）＜580℃，高過高再金屬溫度控制＜590℃，若管壁溫度測點(diǎn)異常時，應(yīng)結(jié)合其他參數(shù)立即確認(rèn)測點(diǎn)真實(shí)性，避免誤判而管壁長時間超溫。加強(qiáng)定期吹灰，保持受熱面外壁清潔。在確認(rèn)受熱面超溫后，應(yīng)立即采取增投吹灰或則減負(fù)荷的方式緩解。啟停制粉后合理分配的情況下，應(yīng)及時反向調(diào)整已運(yùn)行制粉系統(tǒng)中的上層，避免大幅度增加或減少引起的氣溫突升突降。

4.4 其他

盡量減少鍋爐有意的強(qiáng)冷，MFT停爐后應(yīng)立即適當(dāng)降低風(fēng)量保持風(fēng)煙系統(tǒng)運(yùn)行（5～8）min吹掃后即停運(yùn)送引風(fēng)機(jī)，避免長時間進(jìn)行通風(fēng)冷卻。如若時間緊，需要進(jìn)入爐膛檢修等特殊操作而安排強(qiáng)冷時，必須限制自然和強(qiáng)制通風(fēng)的時點(diǎn)和要求。嚴(yán)格執(zhí)行停爐前的保養(yǎng)，利用加藥鈍化形成保護(hù)膜，悶爐烘干排出濕氣后密閉保養(yǎng)。

4.5 檢修

利用停備或檢修時間進(jìn)行管材檢查，確定內(nèi)部沉積氧化皮的可采取吹管、酸洗，必要時割管清理。總之，既然是“皮”，自然就是有別于原來的基本材料（簡稱基質(zhì)），只不過是附著在表層而已，位置可能是內(nèi)表面也可能是外表面，尤其是內(nèi)表面多種因素作用下氧化皮就有脫落的可能，堆積過多必然造成管內(nèi)通流面積下降、堆積部位變厚引起的換熱變差，管壁超溫，甚至爆管。未沉積的細(xì)小氧化皮塊甚至有可能隨汽流進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)，損傷汽輪機(jī)葉片，這些都是氧化皮不可小覷的附加危害。當(dāng)然，氧化皮也有一定益處，受熱面管內(nèi)形成氧化皮，如同衣服一般保護(hù)肌體，延緩減少深層次的基質(zhì)再次被氧化的趨勢，一定程度上延長了鍋爐受熱面管材的使用壽命，保證了鍋爐的安全運(yùn)行。從產(chǎn)生的基礎(chǔ)環(huán)境來說，氧化皮是一定會產(chǎn)生的；從危害性角度來說，氧化皮一旦脫落，帶來的危害性也是巨大的，尤其是對于使用有一定年限且運(yùn)行中長期高頻調(diào)峰的機(jī)組而言，氧化皮的脫落是大概率事件，不能不面對其可能帶來的危害性。因此必須要從深層次分析其危害性，尤其是從運(yùn)行角度探討和思考如何更加規(guī)范調(diào)整水平，最大限度地穩(wěn)定氧化皮減少脫落可能。