超超臨界鍋爐氧化皮的產(chǎn)生和防治.doc

超超臨界鍋爐氧化皮的產(chǎn)生和防治隨著機(jī)組容量越來(lái)越大，蒸汽參數(shù)越來(lái)越高，金屬在高溫環(huán)境下不斷產(chǎn)生氧化皮。并伴隨氧化皮剝落堆積，造成管壁超溫并最終導(dǎo)致鍋爐四管爆漏事故。因此氧化皮的產(chǎn)生和剝落是影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行因素之一。一、氧化皮生成的原因由于高溫高壓蒸汽具有氧化性，從400以上開(kāi)始具有較強(qiáng)氧化性，500-700具有最強(qiáng)氧化性，600以上氧化速度加快。500以上，奧氏體鋼就與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)氧化層，570以上，氧化層中增加了FeO相，材料氧化速度加快。在600-620之間，金屬氧化速度存在突變點(diǎn)，氧化層迅速增厚，氧化層達(dá)到一定厚度，運(yùn)行條件變化時(shí)，容易導(dǎo)致氧化層脫落，成為氧化皮。氧化皮是高汽溫參數(shù)帶來(lái)的副產(chǎn)物。氧化皮基本是雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層厚度相當(dāng)，外層主要是疏松結(jié)構(gòu)的Fe3O4，內(nèi)層為致密結(jié)構(gòu)的(FeCr)3O4,其中Cr含量隨金屬不同而不同。奧氏體鋼只脫落外層氧化皮，內(nèi)層不易脫落。鐵素體鋼內(nèi)外兩層都易脫落，管壁內(nèi)部運(yùn)行一段時(shí)間容易形成新的氧化皮，造成反復(fù)的形成和反復(fù)的脫落。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，鍋爐高溫過(guò)熱器、高溫再熱器長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)下，管壁出現(xiàn)短時(shí)超溫是比較常見(jiàn)現(xiàn)象。在長(zhǎng)時(shí)超溫和短時(shí)超溫情況下，管材抗氧化能力大大降低。加快氧化皮的生產(chǎn)和發(fā)展。二、氧化皮的危害氧化皮的產(chǎn)生和剝落對(duì)機(jī)組運(yùn)行的危害：（1） 氧化皮剝落阻礙管內(nèi)蒸汽流動(dòng)，使壁溫大幅升高，金屬蠕變脹粗，造成鍋爐受熱面管壁超溫爆管。（2） 氧化皮的絕熱作用引起受熱面管金屬壁溫上升，影響管材壽命。（3） 氧化皮對(duì)汽輪機(jī)產(chǎn)生固體顆粒侵蝕，造成調(diào)門(mén)、噴嘴和葉片侵蝕損壞。（4） 氧化皮產(chǎn)生容易造成主汽門(mén)卡澀，機(jī)組停運(yùn)造成主汽門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。（5） 氧化皮剝落容易堵塞疏水管，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。（6） 氧化皮剝落造成汽水污染，嚴(yán)重影響汽水品質(zhì)。三、氧化皮剝離的原因、條件及機(jī)理（1） 原因：由于氧化皮的膨脹系數(shù)與碳鋼和低合金鋼接近，但是奧氏體鋼的膨脹系數(shù)要比氧化皮大很多,大幅度的溫度變化將導(dǎo)致金屬內(nèi)應(yīng)力增大而使氧化皮剝離。（2） 氧化皮的剝離有兩個(gè)主要條件:一是氧化皮達(dá)到一定厚度;二是管壁溫度變化幅度大、速度快、頻度大,導(dǎo)致的母材基體與氧化皮或氧化皮層間應(yīng)力達(dá)臨界值而脫落。（3） 氧化皮的剝離機(jī)理:機(jī)組運(yùn)行蒸汽溫度超過(guò)該材質(zhì)氧化皮快速增長(zhǎng)的溫度水平,氧化皮更容易形成。氧化皮性質(zhì)脆硬,與基體鋼材膨脹系數(shù)差異大,尤其是與奧氏體鋼。管內(nèi)溫度與壓力的波動(dòng)容易造成氧化皮與基材之間的應(yīng)力超過(guò)限度,氧化皮開(kāi)始脫落。如果停爐,蒸汽冷凝后在受熱面的彎管處積存,與脫落的氧化皮粘接在一起,再啟動(dòng),工質(zhì)流量不大,不能沖走,容易發(fā)生爆管。機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中，啟停是比較頻繁的。由于大部分都是調(diào)峰機(jī)組，機(jī)組負(fù)荷經(jīng)常變化，造成管壁溫度變化幅度大，速度快，較頻繁，管內(nèi)氧化皮剝落速度較快。四、氧化皮的預(yù)防措施為了能夠減少和防止氧化皮的產(chǎn)生，從設(shè)計(jì)階段、調(diào)試階段、投產(chǎn)運(yùn)行階段采取防治措施。（一）機(jī)組設(shè)計(jì)階段措施1.鍋爐受熱面材料選擇1.1 應(yīng)高度重視新型耐高溫材料特性，特別是其高溫抗氧化性、材料組織老化規(guī)律，以及新材料使用的安全裕度等。鍋爐不同區(qū)域受熱面金屬材料應(yīng)根據(jù)其承受溫度、應(yīng)力及工況變化，預(yù)留足夠的安全裕度，進(jìn)行科學(xué)合理的選擇（鄆城公司主蒸汽管道和一、二次熱再熱蒸汽管道、高過(guò)、高再出口集箱首次采用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)新材料馬氏體耐熱鋼G115，其中管道壁溫不超過(guò)660，集箱壁溫不應(yīng)超過(guò)650）。1.2 鍋爐受熱面選用T23管材時(shí)，其使用區(qū)域的管壁溫度不應(yīng)超過(guò)570，且汽溫不應(yīng)超過(guò)540。1.3 鍋爐受熱面選用T91管材時(shí)，其使用區(qū)域的管壁溫度不應(yīng)超過(guò)600，且汽溫不應(yīng)超過(guò)570（鄆城公司鍋爐水冷壁首次采用馬氏體耐熱鋼SA-213T91）。1.4 鍋爐高溫過(guò)熱器及高溫再熱器宜選用細(xì)晶粒奧氏體不銹鋼TP347HFG或同類(lèi)材料。若采用粗晶粒奧氏體不銹鋼TP347H時(shí)，則管材內(nèi)壁宜進(jìn)行噴丸處理，以提高其抗氧化性（鄆城公司高溫受熱面部件首次采用新材料奧氏體耐熱鋼Sanicro25，壁溫不超過(guò)700）。2.鍋爐點(diǎn)火技術(shù)的選擇2.1 根據(jù)目前部分電廠使用情況，采用等離子點(diǎn)火方式存在點(diǎn)火初期燃料量難以控制，鍋爐溫升過(guò)快，以及在主蒸汽流量很低的情況下需要投入減溫水等問(wèn)題，易造成鍋爐啟動(dòng)期間受熱面氧化皮脫落、堵管等情況。因此新建超臨界鍋爐選用等離子點(diǎn)火技術(shù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行充分論證。3.鍋爐管壁溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)置3.1 壁溫監(jiān)測(cè)對(duì)預(yù)防鍋爐管超溫、爆管具有重要指導(dǎo)作用，新設(shè)計(jì)鍋爐應(yīng)充分考慮機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)對(duì)鍋爐管金屬壁溫的監(jiān)測(cè)，確保測(cè)點(diǎn)布置科學(xué)合理，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠3.2 對(duì)超臨界鍋爐的過(guò)熱器、再熱器高溫段應(yīng)有完整的管壁溫度測(cè)點(diǎn)，根據(jù)爐型不同測(cè)點(diǎn)數(shù)應(yīng)達(dá)到2030%，尤其應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鍋爐管易超溫管段的監(jiān)視，防止超溫爆管（經(jīng)過(guò)調(diào)研日照電廠2013年連續(xù)爆管4次，末過(guò)3次，后屏過(guò)1次；濰坊電廠2011年連續(xù)爆管3次，均為末過(guò)；黃島電廠2014年爆管2次，均為末過(guò)。此三個(gè)電廠爆管位置均為熱段下彎頭出口直管段，建議在鍋爐高溫段增加壁溫測(cè)點(diǎn)、工質(zhì)溫度測(cè)點(diǎn)）。4.汽機(jī)旁路系統(tǒng)設(shè)置4.1 汽機(jī)旁路系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)考慮負(fù)荷性質(zhì)、汽輪機(jī)及鍋爐型式、結(jié)構(gòu)、性能及機(jī)組啟動(dòng)方式等。合理設(shè)置汽輪機(jī)旁路有利于鍋爐管氧化皮問(wèn)題的預(yù)防和脫落后的處置。4.2 新建機(jī)組初步設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外超臨界機(jī)組的旁路設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況進(jìn)行充分調(diào)研，在保證機(jī)組安全運(yùn)行條件下，汽機(jī)旁路系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)應(yīng)考慮滿(mǎn)足機(jī)組不同狀態(tài)的快速啟停、汽機(jī)熱態(tài)保護(hù)、鍋爐管氧化皮的沖洗要求等各方面因素，即旁路容量應(yīng)根據(jù)機(jī)組對(duì)旁路系統(tǒng)的綜合整體需求確定。旁路的控制系統(tǒng)功能應(yīng)與主機(jī)相應(yīng)要求配套（日照電廠旁路容量為30%，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前鍋爐受熱面沖洗，蒸汽流量太小，沖洗效果較差）。（二） 調(diào)試階段控制措施1.嚴(yán)格控制機(jī)組首次啟動(dòng)前的酸洗和吹管工藝1.1 酸洗時(shí)盡量擴(kuò)大清洗范圍，對(duì)清洗藥品和工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制。由于超超臨界鍋爐蓄熱能力小，鍋爐降壓吹管很難保證吹管系數(shù)或者說(shuō)有效吹管時(shí)間短，但穩(wěn)壓吹管參數(shù)波動(dòng)較小，不利于受熱面上的氧化膜剝落。因此超超臨界鍋爐吹管可采取穩(wěn)壓與降壓相結(jié)合方式一提高吹管效果，另外應(yīng)控制好酸洗和吹管的工期，盡量縮短酸洗與吹管，吹管與機(jī)組整套啟動(dòng)之間的時(shí)間間隔。2.嚴(yán)格進(jìn)行鍋爐冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)和燃燒調(diào)整試驗(yàn)2.1 這兩項(xiàng)試驗(yàn)要確保達(dá)到廠家規(guī)定的要求，以減小鍋爐熱偏差和受熱面局部過(guò)熱現(xiàn)象。（三） 機(jī)組運(yùn)行控制措施1. 減緩氧化皮生成的防治措施1.1 嚴(yán)禁鍋爐超溫、超負(fù)荷運(yùn)行，應(yīng)建立臺(tái)賬，對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的超溫情況做好詳細(xì)記錄，包括超溫溫度、運(yùn)行時(shí)間等。并加強(qiáng)統(tǒng)計(jì)分析。1.2 嚴(yán)格控制鍋爐橫斷面各管屏溫度偏差，加強(qiáng)受熱面的熱偏差監(jiān)視和燃燒調(diào)整，改善煙道溫度場(chǎng)的分布及受熱面管子的吸熱均勻性，有效降低受熱面管子的壁溫偏差和汽溫偏差，防止受熱面局部超溫運(yùn)行。1.3 為防止?fàn)t膛熱負(fù)荷工況擾動(dòng)造成受熱面超溫，運(yùn)行中應(yīng)以燃燒調(diào)整（如燃燒器角度、風(fēng)量匹配等）作為汽溫主要調(diào)整手段，避免用一、二級(jí)減溫水打開(kāi)大關(guān)調(diào)整汽溫。1.4在鍋爐啟動(dòng)時(shí)，制定蒸汽吹掃受熱面氧化皮的措施，利用高、低壓旁路進(jìn)行受熱面大流量沖洗，在鍋爐啟、停和升、降負(fù)荷過(guò)程中，負(fù)荷速率變化要慢，避免受熱面壁溫波動(dòng)過(guò)大。1.5 加強(qiáng)爐膛吹灰，定期清潔爐膛，改善受熱面熱傳導(dǎo)性能。2.防止氧化皮大面積剝落措施2.1 鍋爐啟停及升、降負(fù)荷過(guò)程中，嚴(yán)格控制升溫升壓或降溫降壓速率。在機(jī)組負(fù)荷低于25%時(shí)，應(yīng)盡可能避免投用減溫水。2.2 等離子點(diǎn)火裝置的鍋爐啟動(dòng)時(shí)，在鍋爐點(diǎn)火初期燃料量控制要細(xì)心，緩慢提升爐膛溫度。2.3 一般情況下，鍋爐啟停次數(shù)越多，發(fā)生氧化皮爆管機(jī)率越大，因此，應(yīng)盡量減少機(jī)組啟停次數(shù)，尤其避免短時(shí)間內(nèi)多次啟停。2.4 對(duì)于已發(fā)生大面積氧化皮脫落的鍋爐，由于管內(nèi)氧化皮傳熱能力較差，可以適當(dāng)降溫運(yùn)行，降溫幅度以管壁溫度不超過(guò)限值為基準(zhǔn)。2.5 機(jī)組跳閘，鍋爐停止運(yùn)行后，應(yīng)盡量減緩爐內(nèi)溫度下降速度。3.防止氧化皮少量脫落清理措施3.1鍋爐啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行鍋爐管蒸汽吹掃，利用高、低壓旁路進(jìn)行受熱面大流量沖洗。特別嚴(yán)重的可以安裝臨時(shí)管路進(jìn)行吹管，鍋爐啟動(dòng)時(shí)多次吹掃有利于鍋爐的長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行。3.2 當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)過(guò)熱器、再熱器管下U形彎處有較多的氧化皮沉積而無(wú)法通過(guò)蒸汽吹掃進(jìn)行清理時(shí)，可采用割管清理。3.3 調(diào)整鍋爐運(yùn)行，避免受熱面出現(xiàn)煙溫偏差，防止受熱面局部超溫。3.4 對(duì)鍋爐進(jìn)行停爐檢修時(shí)，停爐后要悶爐24小時(shí)，在爐內(nèi)溫度降低到50后，再打開(kāi)爐門(mén)進(jìn)行通風(fēng)，嚴(yán)禁急冷急停。五.檢查檢修措施1.加強(qiáng)停爐時(shí)檢查與檢測(cè)，利用每次停爐機(jī)會(huì)對(duì)末級(jí)過(guò)熱器、末級(jí)再熱器進(jìn)行宏觀檢查，對(duì)發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題部位及檢測(cè)超溫部位，應(yīng)針對(duì)性進(jìn)行硬度、金相檢驗(yàn)。根據(jù)停爐時(shí)間長(zhǎng)短相應(yīng)安排末級(jí)過(guò)熱器高溫段出口彎頭的射線或超聲檢測(cè)，對(duì)堆積氧化皮的彎頭進(jìn)行割管清理或更換處理。2.新建機(jī)組在檢查性大修中宜對(duì)高溫過(guò)熱器和高溫再熱器進(jìn)行安全性評(píng)定，可通過(guò)射線或超聲波檢測(cè)。判斷鍋爐管內(nèi)壁氧化皮的形成及剝落情況，同時(shí)進(jìn)行金屬檢驗(yàn)和割管驗(yàn)證，科學(xué)評(píng)估金屬材料的老化程度，據(jù)此確定相應(yīng)改進(jìn)方案。3.鍋爐累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10000小時(shí)后，應(yīng)對(duì)T23管材進(jìn)行割管檢驗(yàn)；累計(jì)運(yùn)行超過(guò)15000小時(shí)后，應(yīng)對(duì)T91管材進(jìn)行割管檢驗(yàn)，并對(duì)鍋爐管運(yùn)行狀況及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析判斷和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。4.對(duì)于運(yùn)行中管壁溫度異常的管件應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)檢查，并采取可行措施。六.其它措施1.應(yīng)高度重視并認(rèn)真做好鍋爐受熱面材料及鍋爐制造過(guò)程的監(jiān)督檢查工作。對(duì)不同廠家或同一廠家不同批次的材料均應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真檢查檢驗(yàn)，確保材料合格。受熱面加工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制加工工藝，特別是彎管、焊接、熱處理等工藝，確保材料品質(zhì)和制造質(zhì)量符合要求。2.由于國(guó)產(chǎn)奧氏體不銹鋼存在材料性能不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此，對(duì)國(guó)