600MW超临界锅炉末级过热器氧化皮剥落

SC、USC锅炉面临氧化皮引起的爆管问题。对于已在运行的机组，要加强机组启停及运行管理。对于新机组，则外三的系统性解决方案值得推荐（见前发表的《论超超临界机组蒸汽氧化及固体颗粒侵蚀的综合防治》,即氧化皮不可避免；尽量减缓氧化皮的生成；生成了避免脱落；脱落了尽量清除；不能清除的尽量减轻对汽机叶片的破坏。

1设备概况

华电贵港发电有限公司#2锅炉由上海锅炉厂有限公司在引进ALSTOM美国公司超临界锅炉技术的基础上，结合上海锅炉厂有限公司燃用烟煤的经验，并根据用户的一些特殊要求进行设计生产的。锅炉型号为SG-／25.4-M，过热器出口压力为25.4MPa，过热器出口温度为℃。锅炉型式为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构Π型、露天布置燃煤锅炉。炉膛宽度mm，炉膛深度mm，水冷壁下集箱标高为mm，炉顶管中心标高为mm，大板梁底标高mm。炉膛上部布置有分隔屏过热器和后屏过热器，水平烟道依次布置末级再热器和末级过热器，尾部烟道布置有低温再热器和省煤器。末级过热器为逆流布置，共计82排，每排12根u形管，为冷热段布置。末级过热器规格为Φ38.1×7.00、Φ38.1×7.5、Φ38.1×7.96、Φ38.1×9.00，材质为TPH、T91、T23。末级过热器的结构如图1所示。

#2炉至年3月已累计运行小时。年3月，#2锅炉发生了一起严重的末级过热器爆管事故。

2末级过热器爆管事故过程

#2机组于年3月4日0：53并网发电，3月6日23：33#2炉四管泄漏报警，初步判定为折焰角末级过热器泄漏，当时负荷MW。3月7日2：27打闸停机。

经详细检查，确认末级过热器第26排第二根T91管（规格为Φ38.1×7.5）下弯头及弯头上方直管段约1.5m处泄漏发生爆管（图2、图3、）。下弯头爆口吹损相邻的管排，上方爆口吹损与下弯头情况相似。经对末级过热器所有管排详细检查，发现末级过热器有6根管已超温变色（图4），所有超温管子均为T91管，初步估计是由于管内氧化皮脱落堵塞造成管子超温爆管。

经对变色管割管验证，从变色管弯头处倒出片状氧化皮g、g（图5），其中有一根管弯头处氧化皮已经完全堵塞。经测量氧化皮厚度在0.15-0.20mm之间，爆管管子涨粗率已达到3%，变色管已发生涨粗现象，涨粗率在1%左右（图6）。停机后对末级过热器的热段分上、中、下3层进行％胀粗及外观检查；末级过热器热段出口弯头按照一定比例通过射线检查氧化皮堆积情况；对末级过热器管有明显吹扫痕迹的管排进行测厚检查；对部分过热器管进行了内窥镜检查，发现管内壁仍存在未脱落的氧化皮（图7）。本次检修对爆破管、壁厚吹损超标管、外表面变色管共计13根管进行了更换。

3爆管原因分析

根据爆口的形状和割管检查情况判断，导致爆管的原因为氧化皮脱落后在末级过热器下部弯头处堆积，减少了管道的流通截面，使管道发生过热超温而爆管。

3．1氧化皮生成与脱落原因

金属中的铁元素会与高温水蒸汽分解出的氧反应，产生严重的氧化。从热力学角度分析，铁的高温水蒸汽氧化是一个不可避免的自然过程。金属的氧化是通过氧离子的扩散完成的，假如生成的氧化膜是牢固的，在生成氧化膜后，其氧化过程就减弱，金属就得到了保护。假如生成的氧化膜不牢固，那么生成的氧化膜不断剥落，氧化过程就会继续下去。

高温水蒸汽与铁素体钢氧化形成的氧化膜分为两层。氧化层内层为原生膜，外层为延伸膜，是由于铁离子向外扩散，水的氧离子向里扩散而形成的。内层的原生膜是水的氧离子对铁直接氧化的结果。其氧化铁结构由钢表面起向外依次为Fe3O4，Fe3O4或Fe3O4，Fe2O3。内层为尖晶型细颗粒结构，氧化层外层为棒状型粗颗粒结构，并含一定量的空穴。随着时间延长，最外层有少量不连续的Fe2O3。

在某些不利的运行条件下（如超温或温度、压力波动），金属表面的双层膜就会变成了多层膜的结构，这时氧化和时间的关系就变成直线关系。

双层膜先是变为二个双层膜，再进一步发展成为多个双层膜的多层氧化层结构，然后便开始发生剥离。由于钢中的合金成分，如Cr、Mo等在形成双层膜时，均富集在下面一层，该层很致密。氧化层的剥离，就发生在这两层膜中间。超临界机组常用的T91钢（铁素体钢）在水蒸汽中氧化内层为极薄的含有大量阳离子空位的CrFe2O4的单相无晶界非晶体结构；中层为较厚的CrFe2O4的单相细等轴晶和在上生长的粗柱状晶结构；外层为Fe3O4-Fe2O3的细等轴晶和在其上生长的粗柱状晶结构。氧化层的三层结构依顺序而生成，三层结构可只出现前一层（内层）或前二层（内层和中层），也可全部出现。T91钢出现CrFe2O4的无晶界非晶体内层的致密度、强度、对基体的附着力和抗氧化的保护能力最为良好，CrFe2O4粗柱状晶层次之，而Fe3O4-Fe2O3的粗柱状晶层最差。

氧化皮最容易剥离的位置是在Ｕ形立式管的上端，尤其是出口端。因为出口端蒸汽温度最高，氧化皮最厚；由于Ｕ形管的自重，又使其上端承受着很大的拉力。当温度变化大的时候，在这个部位的拉伸程度的变化，加上热胀系数的差异，使得附在管壁上的氧化皮与金属本体间伸缩变化的差异更大。所以，立式Ｕ形管的上端，尤其是出口端，是氧化皮最容易剥落的位置。

T91钢具有较高的热强性能和热传导系数，价格低，无敏化倾向等优点，并因其具有较好的抗蒸汽氧化性能而受到推广使用。其允许使用温度为℃，在保证50℃的设计裕度，一般T91钢设计使用温度℃。在过热器和再热器管子中，热源是高温炉膛烟气，热能从管子外壁流向其中心线。在这种情况下金属温度可比蒸汽温度高0℃至50℃左右，因此在炉管应用中蒸汽温度应控制在℃。也就是说，℃条件下过热器和再热器管使用T91钢，温度裕度并不高。

氧化皮的剥落取决于氧化皮与母材热膨胀系数之间的差异，相差越大，氧化皮越容易剥落。氧化皮的膨胀系数约为0.9×10-6，钢材约为1.9×10-6。因此，由于热膨胀系数的差异，当氧化皮达到一定厚度后，在温度发生变化时，氧化皮即很容易从金属本体剥离。尤其是温度发生反复或剧烈的变化时，如锅炉启停、停炉时强制通风快速冷却，都会加速氧化皮的剥落。铬钼钢管的氧化皮内外层同时剥离，剥离厚度可达0.2mm，而不锈钢只剥离0.05mm的外层。剥落的氧化皮主要成分是Fe2O3和少量Fe3O4，锅炉正常运行中的蒸汽流带不走尺寸较大的氧化皮，所以造成了停机时氧化皮的堵塞。

氧化皮剥落有2个主要条件：一是氧化皮达到一定厚度，如不锈钢0.10mm，铬钼钢0.2～0.5mm；二是温度变化幅度大、速度快、频度大。氧化皮的剥落和堆积基本上是在停炉和启动过程中产生的，而非运行过程中。

机组运行中长时间超温运行，会加速氧化皮的生成，氧化皮达到一定厚度，会加速脱落。根据西安热工院的研究，原生外层氧化物已经发生剥落的部位在后继相当长的运行时间内不会再次发生剥落问题。

锅炉停运冷却过程中，部分蒸汽凝结成水后积于过热器U型管下部，淹没了剥落的氧化皮，随着U型管底部积水逐渐自然蒸发，氧化皮一层紧贴一层，聚积成核状，更容易堵死高温过热器通流截面。

4改进措施

超临界锅炉氧化皮脱落爆管的高峰期一般在机组运行小时左右，国内最极端的例子为运行小时左右，这与锅炉结构及运行超温有关。因此防止受热面金属壁温超温运行是防止氧化皮脱落爆管的关键，同时应加强机组启停机过程中的管理，将氧化皮原生外层尽早以碎屑状剥落带走则有利于减轻其堆积、堵塞所造成的危害和降低该部位残留氧化皮在后继运行过程中的总体生长速度。贵港发电有限公司根据国内电厂防止氧化皮脱落爆管的经验，制订了防止锅炉氧化皮生成与脱落的预防措施：

4.1机组启停过程中的预防措施

（1）停炉前利用汽轮机启动旁路系统对氧化皮进行吹扫。做好停炉后的防腐工作，防止过热器、再热器弯头积水造成停运腐蚀。

（2）锅炉停运过程中，应控制主、再汽温温降小于1.5℃/min，压降不大于0.1～0.2MPa/min，且尽量避免减温水的投用,若必须投用则以一级减温水为主，二级减温水不投用。机组停运吹扫结束后，停运送引风机，关闭所有烟风挡板焖炉（焖炉不少于24小时），让锅炉自然冷却。

（3）停炉操作过程中，燃料量的控制要求相对稳定，不允许大幅度变化，特别是进行停运磨煤机操作时。

（4）机组启动时严格按规程控制好升温速度，防止运行中超温，尽可能减缓机组温度变化的速率。

（5）机组启动时不可过早投入制粉系统运行，易先投入油枪进行升温升压控制，投油1-2小时后再适时投入制粉系统（等离子），投粉后要尽量运行在最小给煤量,以便于控制温升；汽温过高时可适量投入减温水（不投入最好），投入时以一级减温水为主。

（6）机组启动过程中，严格按照升温升压曲线进行温度和压力的控制，汽温和管屏温升均不应超过1.5℃/min；若发现锅炉受热面金属温度不均匀应适当延长升温时间，待各级过热器管壁的金属温度均有上升趋势后，才允许增加燃料量。

（7）机组升压速率在0.05MPa/min～0.15MPa/min之间，机组并列后的温升速率控制不高于2.0℃/min。

（8）机组启动结束的吹扫阶段，尽量维持机组较高负荷运行，以提高管内的蒸汽流速，将管内残存的氧化皮尽快清除。

（9）加强机组运行和启停时的化学汽水监督，避免因汽水品质变化引起氧化皮快速增加和脱落。

4.2机组正常运行过程中的预防措施

（1）机组主汽温控制以控制煤水比为主，减温水为辅，严禁锅炉超温运行，再热器温度以二次风调整和调整燃烧器摆角为主。

（2）机组主、再热汽温控制在～℃之间，末级过热器管壁温度不超过℃。

（3）严格按照锅炉说明书进行锅炉氧量调整；合理调整制粉系统运行方式，尽量增加下层制粉系统出力，降低炉膛出口烟温；通过调整SOFA风门、二次风门和减温水量，锅炉运行中过热器出口蒸汽温度左右偏差不超过10℃，屏式过热器出口蒸汽温度左右偏差不超过20℃，再热器出口蒸汽温度左右偏差不超过10℃，并且运行中按照温度高点控制蒸汽温度。

（4）机组连续MW以上负荷运行时，按规定对炉膛水冷壁和屏式过热器全面吹灰。

（5）机组升降负荷时，注意监视末级过热器管壁温度变化趋势，调整升降负荷速率（不大于6MW/min）和负荷变化量，控制锅炉管壁温度变化速率小于1.5℃/min。

（6）机组运行中启停制粉系统时要保证锅炉燃烧平稳，提前对主、再热汽温进行预控，防止汽温出现大幅扰动。

4.3技术改造及检修措施

（1）选用抗氧化性能更好的TPHFG细晶钢逐步更换末级过热器TPH、T91及T23钢，从根本上解决锅炉氧化皮脱落爆管问题。

（2）增加部分温度测点，加强对末级过热器温度变化的监测，及时发现温度异常进行相应的处理。

（3）机组每次检修时利用氧化皮检测仪对不锈钢弯头进行检测，利用射线拍片对铁素体钢（T91、T23）管弯头进行拍片抽查，对已堵管30%以上通流面积的弯头进行人工清除。

5结束语

目前，贵港发电有限公司通过制定各项措施有效控制了受热面管壁温度及温度的变化速度，加强机组检修过程管理，严格控制启停炉时金属壁温的升降速度，运行过程中严格遵守运行规程，基本解决了锅炉氧化皮脱落爆管的问题，取得了明显的成效。

（贵港发电有限公司，陈天毅谭国良）

电力







































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