锅炉高温受热面 氧化皮脱落综合治理探讨 大唐三门峡发电有限责任公司 二○一五年八月

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1 锅炉高温受热面 氧化皮脱落综合治理探讨 大唐三门峡发电有限责任公司 二○一五年八月
锅炉高温受热面 氧化皮脱落综合治理探讨 大唐三门峡发电有限责任公司 二○一五年八月

2 前言 大唐三门峡发电有限责任公司#3、4机组从2010年9月至今，共计发生三次因锅炉受热面氧化皮脱落导致锅炉爆管，奥氏体不锈钢氧化皮问题已日益突出，严重影响机组安全、经济、稳定运行。问题发生后，我们与电科院将此问题作为双方的共同重点攻关项目，成立了联合攻关小组，会同电科院专家对国内一些电厂的类似情况进行调研。根据氧化皮生成、脱落原因制定了机组启动、运行、停机及检修期间检测清理等预防控制措施。以寻求氧化皮快速生长和大面积脱落的原因，从而有效减少因氧化皮脱落堵管引起的锅炉爆管泄漏事故。

3 1、设备概述 大唐三门峡发电有限责任公司2×630WM机组锅炉型号为HG-1900/25.4-YM4。锅炉为超临界压力、循环泵式启动系统、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、全钢构架的变压本生直流炉。主蒸汽压力25.4Mpa，温度571℃，再热蒸汽压力4.62Mpa，温度569℃。燃烧器布置方式为前后墙对冲。

4 末级过热器布置于炉膛出口的屏式过热器之后，折焰角上方，沿炉宽方向排列共30片管屏，顺流布置，管屏间距为690mm。每片管组由20根管子绕制而成，入口段的管子Ф44.5×7.5 （材质SA-213 TP347H）。出口管屏材质为Ф44.5×7.5（材质 SA-213 T91），每片末级过热器均连接有入口及出口集箱各一只。 过热器和再热器汽温调节主要靠烟道尾部的烟气调温挡板，辅助减温水调节。氧化皮主要发生在高温过热器入口SA-213 TP347H管段，脱落后氧化皮易沉积在管屏底部弯头。

5 两台机组分别于2006年6月、8月投运，#3炉于2009年3月机组中修时锅炉给水系统酸洗后实施给水加氧运行，#4炉2010年2月小修酸洗后实施给水加氧运行。
机组投运以来氧化皮脱落导致锅炉爆管事件3次。#3机组首次因氧化皮爆管累计运行33246小时，#4机组累计运行31619小时。

6 机组因“DEH2路电源失去”机组跳闸， 21小时后故障处理完毕。于 03:28并网后运行142小时后爆管。
序号 时间 机组 泄漏位置 运行情况 1 2010年 9月14日 #4 高过 #4炉在启动机组并网后6小时爆管。 2 11月9日 #3 屏过 机组因“DEH2路电源失去”机组跳闸， 21小时后故障处理完毕。于 03:28并网后运行142小时后爆管。 3 2011年 2月22日 检修后点火启动到锅炉爆管运行51小时。

7 ◆2010年9月14日 #4炉管子爆口形貌 图1.1 #4炉高过第30排第 根爆口形貌 图 #4炉高过第13排第1根爆口形貌

8 ◆ 2011年2月22日#4炉管子爆口形貌 图1.3 #4炉高过第11排第5根爆口形貌

9 ◆ 2010年11月9日#3炉管子爆口形貌

10 通过我公司以上爆管实例说明：超临界机组 在启动、停运及机组大负荷波动过程阶段是氧化皮易脱落的较危险时期，在此阶段由于管子温度波动大、参数较难控制，极易造成高温受热面氧化皮与奥氏体不锈钢管材由于热膨胀系数不同而脱落，堆积在弯头处堵塞，管径变小，最终由于管内蒸汽流量小，蒸汽对管道冷却不足发生过热爆管。

11 2、氧化皮生成原因 钢表面氧化皮的生成是金属在高温水汽中发生氧化的结果。在570 ℃ 以下，生成的氧化膜是由Fe2O3 和Fe3O4 组成，Fe2O3 和Fe3O4 都比较致密( 尤其是Fe3O4 )，因而可以保护钢材避免进一步氧化见图2.1

12 图2.1　低于570 ℃管内部的氧化膜结构

13 当超过570 ℃时，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4、FeO 三层组成，FeO 在最内层，见图2.2
图2.2　高于570 ℃管内部的氧化膜结构

14 因为铁的氧化物中存在FeO，而FeO 是不致密的，因此破坏了整个氧化膜的稳定性，这样氧化过程得以继续下去。此时，金属的抗氧化能力大大降低，铁与水蒸汽直接发生化学反应生成Fe3O4 ：
3Fe+4H2O= Fe3O4+4H2 ↑

15 在氧化皮的形成过程中，管壁温度和压力对氧化皮形成起着推动作用。据有关资料介绍，氧化皮的生长速度与温度有着密切的关系。 一般说来，在某个温度段（565 ℃ ～ 595 ℃），温度越高，氧化皮生长速度越快，而锅炉主蒸汽温度为571 ℃ ，在该温度下运行，管内壁氧化皮就会很快生长。

16 结论： 机组正常运行温度就会发生高温氧化。温度越高，高温氧化就会加速，容易造成氧化物运行中大面积快速脱落，氧化高峰期来的越早。

17 3、氧化皮的脱落原因 3.1奥氏体不锈钢与氧化皮热膨胀系数不同 3.2氧化皮达到一定厚度（不锈钢0.10mm，铬钼钢0.2-0.5mm）。
氧化铁的膨胀系数一般在9.1×10-6/℃，奥氏体不锈钢的膨胀系数一般在16 ～ 20×10-6/℃，两者热膨胀系数差异较大。在锅炉运行或启、停机时受热面管子的温度变化，尤其是剧烈的温度变化时，氧化皮之间以及基材因受热应力而脱落。 3.2氧化皮达到一定厚度（不锈钢0.10mm，铬钼钢 mm）。

18 结论： 高温运行工况下，实际运行中奥氏体不锈钢管氧化皮的生成和剥落是不可避免的，氧化皮在不断的生成和剥落。脱落速度取决于机组启停温度变化速率和压力变化速率。

19 4、机组检修氧化皮堆积检测、清理 锅炉启动、停炉时升降温速率过快会造成氧化皮大量剥落并堵塞受热面管子，如果停炉后不对受热面管进行检查清理，再次启动后受热面管子便会面临短期超温爆管。因此“逢停必检”是防范氧化皮造成危害的重要手段。

20 氧化皮在钢管内堆积堵塞的形式：

21 停炉后对运行超温报警管壁逐个检查，发现外观颜色明显不同，有过热倾向，进行割管。
4.1外观检查及割管抽查 停炉后对运行超温报警管壁逐个检查，发现外观颜色明显不同，有过热倾向，进行割管。 图：氧化皮形状

22 4.2磁通量检测法 利用氧化皮和奥式体不锈钢母材的磁性差异来判断受热面管内氧化皮的堆积和生成情况，该种检测方法方便快捷，对检测人员的经验要求较高。经过多次实践，目前电科院已经掌握检测的规律，与射线拍片结果相同，为保证检修质量、缩短检修工期提供了很大的帮助。

23 #4炉屏过氧化皮磁通量检测数据记录2011.10.10 1 2 3 4 5 6 磁通量 高度 15 -1035 -533 -835 -775
-1097 -231 16 -855 -725 -1130 315 -208 -745 17 -610 -300 350 1/3 200 -230 -240 18 -1030 -330 -480 580 -1100 -520 19 -510 -387 465 -958 -540 -545 20 -708 710 -1090 -607 -553 -483 21 -640 -320 -210 -770 -760 -580 22 -1010 450 1/2 -570 280 1/4 -1031 -416 23 -120 -768 -1000 -550 -1175 30 24 -845 -1145 -1140 950 -475 25 1/6 830 -900 -160 -740 -360 26 -1040 -290 70 -920 27 -411 -941 -1162 570 -960 92 28 -860 190 735 395 370 29 -50 -1046 180 -450 630 2/3 -660 -1120 #4炉屏过氧化皮磁通量检测数据记录

24 根据历次氧化皮割管清理后称重经验，30g氧化皮堆积可达管径（Ф44. 5×7
根据历次氧化皮割管清理后称重经验，30g氧化皮堆积可达管径（Ф44.5×7.5）高度的1/3就有堵塞的危险。经标定30g对应磁通量值为700，检测大于700的再用射线拍片验证，由于磁通量数值大小与氧化皮堆积高度、长度、形状有关，检修时实际执行大于300的进行拍片验证。

25 4.3磁通量检测与射线拍片组合检查 由于氧化皮脱落部位无规律性，抽查发现概率小，且切管后重新打坡口焊接并做焊缝射线检查，工作任务量大。我们通过多次抢修、小修的探索分析：锅炉内高温过热器、屏式过热器弯头有近几千个，若全部采用射线拍片方法费工、费时、费钱。因此，先采用磁通量检测法对所有弯头全部检查，发现磁通量超标的弯头再进行射线拍片验证。

26 氧化皮堵满 氧化皮堵塞1/3以下

27 管内氧化皮堆积 管内壁氧化皮脱落及残余

28 #4炉小修期间，高过30屏、每屏20个弯头共检测4次，高过累计检测2400个弯头。氧化皮堆积信号大于300的，拍片验证弯头108个：氧化皮重量最大133克，管径基本堵实；发现有24个弯头堵塞超过三分之一，氧化皮称重约30~40克；有18个弯头堵塞超过二分之一，氧化皮称重50~74克；堵塞小于三分之一的26个弯头没有割管。为保险起见，通常氧化皮堵塞超过1/3的全部割管清理。管子焊接完毕，拆除脚手架前，再用磁通量检测仪全面复查一遍，防止检修过程中氧化皮脱落堵塞管子。

29 5、防止氧化皮脱落控制措施 5.1启动过程中防止氧化皮脱落控制措施 严格控制升温升压速度，防止温变较快造成氧化皮加速剥落;
超临界机组采用旁路变压冲洗，将沉积的氧化皮冲走，亚临界机组通过开关汽包安全阀的方式对锅炉高过受热面进行吹管，将氧化皮吹至炉外。 低负荷阶段蒸汽流量小，尽量避免使用减温水，减温水会影响壁温的突变，增加氧化皮的剥落几率。

30 机组变流量冲洗，管内流速可以超过正常流速，带出部分堆积物，在一定负荷下，通过快速增减负荷，对机组进行变流量冲洗3～5次。试验负荷约100MW,负荷变动率约3～5％MCR /min。
加强疏水的回收和排放管理，防止不合格的疏水进入主系统和前级系统产生的氧化皮进入后级系统。

31 5.2 机组正常运行防止氧化皮脱落控制措施 正常运行时，氧化皮产生是不可避免的，但产生的速度与管壁温度有关，管壁温度越高，氧化皮产生的速度越快，因此，运行人员应严格控制受热面管壁温度不超温，由于管壁温度测点有限，运行人员还要控制好受热面出口蒸汽温度。

32 严格控制受热面蒸汽和金属温度，严禁锅炉超温运行，防止受热面快速生成氧化皮。
加强受热面的热偏差监视和调整，控制温度锅炉左右侧主蒸汽、再热蒸汽偏差在10℃左右。防止受热面局部长期超温运行。 长期低负荷运行或主汽温大幅波动时采取变负荷吹管方案，具体详见附件。

33 5.3机组停机时防止氧化皮脱落控制措施 氧化皮一般更容易在降温过程中发生剥落，在350℃附近发生剧烈剥落。由于停炉过程及停炉后的冷却对氧化皮的脱落有着重大影响，因此要控制好降负荷和降温降压速度。

34 机组正常停机要采用滑停方式，不能进行强制冷却，应采用闷炉处理（约72小时），滑停过程中屏过、末过蒸汽温度的温度变化率不高于2℃/min。
通过减燃料、调燃烧的办法降低负荷和温度，避免投用减温水。 机组正常停机或事故停机时，立即停止送、引风机运行并关闭炉膛进出口风系统挡板进行闷炉。保证管壁温度降至180℃以下，再开始检修工作。

35 5.4提高主要辅机的可靠性。 重要辅机设备的非停不仅仅是影响机组负荷，跳闸后机组负荷的大幅变化将导致锅炉高温受热面氧化皮的脱落，因此防止辅机的非停对防止锅炉氧化皮脱落有重要的意义。

36 5.5增加壁温测点 增加壁温测点利于机组运行期间在线监视管壁的温度，发现超温及时采取措施。完善热负荷区域高温受热面管壁的温度测点，要保证每排管子上至少有2-3个温度测点，并加强受热面管壁温度测点的维护。

37 6、锅炉吹管对汽机系统的影响. 利用大修机会将汽轮机揭缸后检查汽轮机叶片及喷嘴情况，氧化皮吹扫对叶片及喷嘴的影响不大；
将凝汽器内部清理后，再次进行吹管并利用停机机会打开发现凝汽器底部有类似炉管中的氧化皮（较细），是吹扫过程中碰撞等原因破碎导致的，证明锅炉吹管带走氧化皮的方法是有效果的。

38 锅炉吹管对汽机高旁、调门严密性有一定的影响，通过不断地总结调整吹扫过程中高旁开度，最近两次机组启动后高旁门后温度正常（280℃）。实践证明只要掌握正确的方法是可以消除氧化皮吹扫对相关设备的影响

39 7、结束语 大唐三门峡#1、2、3、#4机组，经过高温受热面氧化皮综合治理，2012年至今（历经12次冷态启动、2次热态启动），未出现氧化皮原因爆管。最近两次停炉检查，受热面管子未发现氧化皮大量堆积现象，氧化皮问题得以明显遏制，说明综合治理措施取得了一定的效果。

40 防止超（超）临界锅炉TP347、T91管材因氧化皮脱落而造成的锅炉爆管，需要从氧化皮的形成、脱落、脱落后的处理等多个环节做大量的艰苦细致的工作，应设法防止和减缓氧化皮的生成，对生成的氧化皮应避免其脱落，对已脱落的金属氧化皮应尽快予以清除，它是一个庞大的系统工程，避免和减轻氧化皮大量脱落造成的危害，实现氧化皮的受控脱落是今后需要持续关注的一项重要工作。

41 谢谢大家