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)生和防治隨著機組容量越來越大，蒸汽參數(shù)越來越高，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)生和剝落是影響機組安全穩(wěn)定運行因素之一。一、氧化皮生成的原因由于高溫高壓蒸汽具有氧化性，從400以上開始具有較強氧化性，500-700具有最強氧化性，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，氧化層迅速增厚，氧化層達(dá)到一定厚度，運行條件變化時，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)部運行一段時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。在機組實際運行過程中，鍋爐高溫過熱器、高溫再熱器長期處于高溫狀態(tài)下，管壁出現(xiàn)短時超溫是比較常見現(xiàn)象。在長時超溫和短時超溫情況下，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)生和剝落對機組運行的危害：（1） 氧化皮剝落阻礙管內(nèi)蒸汽流動，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） 氧化皮對汽輪機產(chǎn)生固體顆粒侵蝕，造成調(diào)門、噴嘴和葉片侵蝕損壞。（4） 氧化皮產(chǎn)生容易造成主汽門卡澀，機組停運造成主汽門關(guān)閉不嚴(yán)，威脅機組安全運行。（5） 氧化皮剝落容易堵塞疏水管，威脅機組安全運行。（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） 氧化皮的剝離機理:機組運行蒸汽溫度超過該材質(zhì)氧化皮快速增長的溫度水平,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)溫度與壓力的波動容易造成氧化皮與基材之間的應(yīng)力超過限度,氧化皮開始脫落。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,工質(zhì)流量不大,不能沖走,容易發(fā)生爆管。機組在實際運行中，啟停是比較頻繁的。由于大部分都是調(diào)峰機組，機組負(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)計階段、調(diào)試階段、投產(chǎn)運行階段采取防治措施。（一）機組設(shè)計階段措施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、高再出口集箱首次采用國內(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660，集箱壁溫不應(yīng)超過650）。1.2 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。1.3 鍋爐受熱面選用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（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或同類材料。若采用粗晶粒奧氏體不銹鋼TP347H時，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700）。2.鍋爐點火技術(shù)的選擇2.1 根據(jù)目前部分電廠使用情況，采用等離子點火方式存在點火初期燃料量難以控制，鍋爐溫升過快，以及在主蒸汽流量很低的情況下需要投入減溫水等問題，易造成鍋爐啟動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火技術(shù)時應(yīng)進(jìn)行充分論證。3.鍋爐管壁溫度測點設(shè)置3.1 壁溫監(jiān)測對預(yù)防鍋爐管超溫、爆管具有重要指導(dǎo)作用，新設(shè)計鍋爐應(yīng)充分考慮機組正常運行時對鍋爐管金屬壁溫的監(jiān)測，確保測點布置科學(xué)合理，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠3.2 對超臨界鍋爐的過熱器、再熱器高溫段應(yīng)有完整的管壁溫度測點，根據(jù)爐型不同測點數(shù)應(yīng)達(dá)到2030%，尤其應(yīng)加強對鍋爐管易超溫管段的監(jiān)視，防止超溫爆管（經(jīng)過調(diào)研日照電廠2013年連續(xù)爆管4次，末過3次，后屏過1次；濰坊電廠2011年連續(xù)爆管3次，均為末過；黃島電廠2014年爆管2次，均為末過。此三個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點、工質(zhì)溫度測點）。4.汽機旁路系統(tǒng)設(shè)置4.1 汽機旁路系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)考慮負(fù)荷性質(zhì)、汽輪機及鍋爐型式、結(jié)構(gòu)、性能及機組啟動方式等。合理設(shè)置汽輪機旁路有利于鍋爐管氧化皮問題的預(yù)防和脫落后的處置。4.2 新建機組初步設(shè)計時，應(yīng)對國內(nèi)外超臨界機組的旁路設(shè)計和運行情況進(jìn)行充分調(diào)研，在保證機組安全運行條件下，汽機旁路系統(tǒng)容量設(shè)計應(yīng)考慮滿足機組不同狀態(tài)的快速啟停、汽機熱態(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)機組對旁路系統(tǒng)的綜合整體需求確定。旁路的控制系統(tǒng)功能應(yīng)與主機相應(yīng)要求配套（日照電廠旁路容量為30%，汽機沖轉(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)格控制機組首次啟動前的酸洗和吹管工藝1.1 酸洗時盡量擴(kuò)大清洗范圍，對清洗藥品和工藝進(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)或者說有效吹管時間短，但穩(wěn)壓吹管參數(shù)波動較小，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，吹管與機組整套啟動之間的時間間隔。2.嚴(yán)格進(jìn)行鍋爐冷態(tài)空氣動力場試驗和燃燒調(diào)整試驗2.1 這兩項試驗要確保達(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熱現(xiàn)象。（三） 機組運行控制措施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)荷運行，應(yīng)建立臺賬，對運行中出現(xiàn)的超溫情況做好詳細(xì)記錄，包括超溫溫度、運行時間等。并加強統(tǒng)計分析。1.2 嚴(yán)格控制鍋爐橫斷面各管屏溫度偏差，加強受熱面的熱偏差監(jiān)視和燃燒調(diào)整，改善煙道溫度場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行。1.3 為防止?fàn)t膛熱負(fù)荷工況擾動造成受熱面超溫，運行中應(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、二級減溫水打開大關(guān)調(diào)整汽溫。1.4在鍋爐啟動時，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)荷過程中，負(fù)荷速率變化要慢，避免受熱面壁溫波動過大。1.5 加強爐膛吹灰，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)荷過程中，嚴(yán)格控制升溫升壓或降溫降壓速率。在機組負(fù)荷低于25%時，應(yīng)盡可能避免投用減溫水。2.2 等離子點火裝置的鍋爐啟動時，在鍋爐點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)生氧化皮爆管機率越大，因此，應(yīng)盡量減少機組啟停次數(shù)，尤其避免短時間內(nèi)多次啟停。2.4 對于已發(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)降溫運行，降溫幅度以管壁溫度不超過限值為基準(zhǔn)。2.5 機組跳閘，鍋爐停止運行后，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鍋爐啟動時，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)重的可以安裝臨時管路進(jìn)行吹管，鍋爐啟動時多次吹掃有利于鍋爐的長時間安全運行。3.2 當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)過熱器、再熱器管下U形彎處有較多的氧化皮沉積而無法通過蒸汽吹掃進(jìn)行清理時，可采用割管清理。3.3 調(diào)整鍋爐運行，避免受熱面出現(xiàn)煙溫偏差，防止受熱面局部超溫。3.4 對鍋爐進(jìn)行停爐檢修時，停爐后要悶爐24小時，在爐內(nèi)溫度降低到50后，再打開爐門進(jìn)行通風(fēng)，嚴(yán)禁急冷急停。五.檢查檢修措施1.加強停爐時檢查與檢測，利用每次停爐機會對末級過熱器、末級再熱器進(jìn)行宏觀檢查，對發(fā)現(xiàn)有問題部位及檢測超溫部位，應(yīng)針對性進(jìn)行硬度、金相檢驗。根據(jù)停爐時間長短相應(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(jìn)行割管清理或更換處理。2.新建機組在檢查性大修中宜對高溫過熱器和高溫再熱器進(jìn)行安全性評定，可通過射線或超聲波檢測。判斷鍋爐管內(nèi)壁氧化皮的形成及剝落情況，同時進(jìn)行金屬檢驗和割管驗證，科學(xué)評估金屬材料的老化程度，據(jù)此確定相應(yīng)改進(jìn)方案。3.鍋爐累計運行時間超過10000小時后，應(yīng)對T23管材進(jìn)行割管檢驗；累計運行超過15000小時后，應(yīng)對T91管材進(jìn)行割管檢驗，并對鍋爐管運行狀況及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析判斷和風(fēng)險評估。4.對于運行中管壁溫度異常的管件應(yīng)進(jìn)行重點檢查，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程的監(jiān)督檢查工作。對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，確保材料合格。受熱面加工時，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.由于國產(chǎn)奧氏體不銹鋼存在材料性能不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此，對國