600 MW 超超临界锅炉高温氧化皮问题分析与防治

雷中辉，钟 强

（华能岳阳电厂，湖南岳阳 414002）

0 引言

目前，锅炉过热器管内壁氧化皮脱落堵塞超温甚至爆管已成为了很多火电厂面临的一个巨大难题，严重影响机组的安全运行，给火电厂带来很大的经济损失。因此，开展对氧化皮问题的分析与研究并提出相应的防治处理措施就显得非常迫切和必要，这也是很多火电厂和科研院所攻关的课题。

1 某超超临界机组概况

某大型火电厂三期5#、6#超超临界机组分别于2011 年1 月和2011 年7 月投入运行。锅炉采用П 形布置、一次中间再热、平衡通风、墙式切圆燃烧、固态排渣、全悬吊结构，过热器系统沿蒸汽流程依次为一级低温过热器、二级分隔屏过热器、三级屏式过热器和四级末级过热器，再热器则沿蒸汽流程分成低温再热器和高温再热器两级。过热蒸汽调温方式以煤水比为主，喷水减温为辅；再热蒸汽则使用调温挡板和燃烧器的摆动来调节温度，同时在低温再热器入口管道上还设置有事故喷水减温器[1]。

（1）末级过热器沿炉宽方向布置有51 片管屏，每片管屏由16根管并联绕制而成，根据需要设计了不同规格的管道，主要规格为Φ44.5×7.5 mm（SA-213TP347H）、Φ44.5×8.5 mm（A-213S30432）、Φ44.5×9 mm（A-213S30432）。

（2）后屏过热器共有32 片屏，每片屏由18 根管组成，管道材料为213TP347H、Super304H 和SA-213TP310HCbN，管径为51.0 mm/63.5 mm，平均壁厚8.0～11.5 mm。

（3）分隔屏过热器共有8 个大片屏，每个大屏又由4 个小屏组成，每个大屏各有64 根Φ54.0 mm 的管，平均壁厚8.0～11.0 mm，分别采用12Cr1MoVG 和TP347H 材料，而每小片屏的外圈采用Φ60.0 mm 管，以增加壁温裕量。

（4）高温再热器共64 片，每片由11 根管组成，管道规格为Φ57.0 mm/Φ60.0 mm，其材料为TP347H、Super304H 和SA213TP310HCbN，壁厚为4.0 mm。

2 氧化皮产生及脱落机理

2.1 氧化皮的生成机制

研究表明，超超临界机组蒸汽温度很高，在570 ℃时水蒸汽的氧化能力很强，高温受热面管内壁就会与水反应生成Fe（OH）2，其饱和后在一定温度范围内转化为Fe3O4。而当温度高于570 ℃时，内部氧化物的分布就变为FeO、Fe3O4、Fe2O3这3层物质组成（FeO 在最内层），其厚度比约为100∶10∶1[2]。因FeO致密性差，结构疏松，破坏了整个氧化皮的稳定性，使氧化皮容易脱落堵塞管道。

氧化皮的生成与温度、时间、氧量、压力、流速、钢材成分等有关。通常认为，温度越高、流速越快，生成速度越快。国内外的研究表明，金属表面的氧化膜并不是由生蒸汽中的溶解氧和铁反应形成的，而是由水汽本身的氧原子氧化表面的铁所形成。在570 ℃以上，水分子会分解为氢、氧原子，这充分满足了氧化反应的需要[3]。

2.2 氧化皮的脱落机制

锅炉受热面管子长期在高温环境中运行，内壁会不断生产氧化皮并附着在管壁上。当满足以下两个主要条件时，受热面管子内壁的氧化皮就会发生脱落：①氧化层达到一定厚度，通常不锈钢为0.1 mm、铬钼钢为0.2～0.5 mm；②温度变化幅度大、速度快、频度高[4]。

奥氏体不锈钢钢材的膨胀系数与其氧化皮的膨胀系数差别较大：当氧化层达到一定厚度后，在温度发生变化尤其是反复或剧烈变化时，因膨胀系数的差异所造成的热应力使氧化皮很容易从金属本体脱离[5]。所以，发电机组在启停或负荷及温度剧烈变化时，锅炉受热面内壁氧化皮就有可能发生大面积脱落。

一般氧化皮堆积堵塞管径小于1/3 不会引起爆管风险，但需要记录跟踪检测，堵塞管径达到1/2 就会引起管道过热、氧化速度加快，形成一种恶性循环，长时间有爆管风险，需要割管清理。当堵塞管径大于1/2 乃至整个管径，就会引起管道短期过热爆管，甚至在锅炉启动时就爆管，当然需要割管清理[6]。

3 存在问题及原因分析

3.1 存在问题

该电厂5#锅炉最早在2013 年12 月6 日后屏过热器第16-9（前数为炉左至炉右屏数，后数为内圈到外圈根数）开机中出现超温现象，停机后检查发现，第16-9 管U 形管圈炉前侧弯头氧化皮堵塞约70%，电厂割管进行了清理。后续电厂经过与锅炉厂联系以及同类型机组的他厂调研，制订了氧化皮逢停必检的方案，先后在锅炉分隔屏过热器、后屏过热器、末级过热器和高温再热器中发现氧化皮堵塞情况，已多次造成电厂末级过热器、后屏过热器超温情况，严重威胁到机组安全稳定性。

截止2016 年底，电厂两台炉已检查19 台次，共查出氧化皮堵塞超标管907 根（其中5#锅炉801 根，6#锅炉106 根）。特别是2016 年5#机组进行低氮燃烧器改造及给水加氧运行后，在11 月机组计划停运检查中发现，5#锅炉末级过热器、后屏过热器、分隔屏过热器、高温再热器管道中氧化皮堆积量超标管（≥30%）共计712 根，给机组运行带来严重影响。

3.2 原因分析

对于同一种钢材，温度是决定氧化皮生长速度的关键因素，超温会使氧化皮生长速度成倍增加。电厂分隔屏过热器进口金属壁温报警值为525 ℃，后屏、末过出口金属壁温报警值为630 ℃，高温再热器出口金属壁温报警值为635 ℃。实际运行中5#、6#锅炉额定负荷时末级过热器、后屏过热器出口管壁金属温度均在600～620 ℃，高温再热器出口管壁金属温度均在590～610 ℃，分隔屏过热器进口管壁金属温度在500 ℃左右。通常炉外测点温度比炉内实际炉管的温度要低40～50 ℃。

从5#、6#锅炉过热器和再热器管材分布情况可以看出，5#、6#锅炉出现氧化皮剥落的末级过热器、后屏过热器、分隔屏过热器、高温再热器一共存在SA213TP310HCbN、A-213S30432、SA213TP347H、12Cr1MoVG 这4 种材料，前三种为奥氏体不锈钢，最后一种为铁素体+贝氏体钢。从氧化皮的生成、剥落机理来看，奥氏体不锈钢是造成电厂锅炉过热器氧化皮剥落堵管的主要材料原因。

据资料统计分析：亚临界机组正常温度运行（541 ℃），氧化物高峰期应在35 000 h 左右出现脱落堵塞管道，国内机组高峰期最早的在33 000 h 左右；超临界机组正常温度运行（571 ℃），氧化物高峰期应在15 000 h 左右出现脱落堵塞管道，国内机组高峰期最早的在3100 h 左右。且温度越高，高温氧化就会加速，氧化高峰期来的越早。温度越高，高温氧化越快，容易造成氧化物运行中大面积快速脱落——堵塞爆管[6]。而电厂机组为调峰机组，负荷变化频繁且开停机次数多，这也造成和加速了电厂屏式过热器、末级过热器氧化皮大量生产和脱落堆积堵塞。

4 氧化皮治理

过热器和再热器中奥氏体不锈钢氧化皮问题已严重威胁5#、6#机组的安全稳定运行，必须采取相应的治理措施。通过加强交流、调研等形式，电厂从加强集控运行调整、加大检查力度、采取必要的治理技术，这在一定程度上减小了锅炉高温氧化的影响。

4.1 加强运行调控和金属管壁温度监控

严格运行控制措施是减缓氧化皮生成与脱落的最直接措施。特别是在机组在启停过程中，管子的温度变化幅度最大，氧化皮也最容易脱落，因此必须严格按照技术规定对锅炉启停时的管子温度进行控制，控制升温率和下降速度，正常运行期间严防锅炉金属管壁超温。

4.2 加装金属管壁温度测点、优化金属管壁温度报警值

为加强锅炉金属管壁温度监控，电厂已逐步完成末级过热器、后屏过热器金属管屏温度测点的加装，基本实现了末过、后屏过炉管金属壁温全覆盖的监控。同时，根据《华能国际电力股份有限公司锅炉蒸汽侧高温氧化皮专题研讨会会议纪要》等文件精神，对锅炉金属的管壁温度报警值进行了进一步的优化。

4.3 逢停必检

自发现锅炉高温氧化皮问题以来，电厂坚持“逢停必检”原则，即根据锅炉高温氧化皮产生的规律，采取磁通量检查与射线拍片相结合的方式，在临时停炉对后屏、末级过热器和高温再热器管进行氧化皮检查，在机组集中检修期间对全部高温过热器和高温再热器管进行氧化皮检查，以及过热器节流孔检查。

至2019 年7 月，电厂两台炉已检查45 台次，共查出氧化皮堵塞超标管1001 根（其中，2017 年至2019 年两台炉共检查26台次，共查处氧化皮堵塞超标管94 根）。

4.4 过热器酸洗

过热器氧化皮化学清洗技术是采用专用化学清洗介质清洗容易脱落的氧化皮外层，同时保留不容易脱落的氧化皮内层，能有效降低氧化皮生长速度，从而延长再次发生氧化皮脱落的周期。通过化学清洗去除氧化皮，可以避免因氧化皮脱落而造成的超温停机事故，防止因氧化皮脱落冲蚀汽轮机叶片造成的汽轮机效率降低，显著延长过热器、再热器管的寿命，提高锅炉效率等，从而可确保机组的安全运行，并产生显著的经济效益[8]。

本次电厂锅炉过热器化学清洗范围包括高温段二级过热器、三级过热器、四级过热器、主蒸汽管道及相关联箱、管道等。针对电厂三期机组5#、6#锅炉过热器涉及的金属材料种类和氧化皮特点，选用复合有机酸作为清洗介质，分阶段对过热器氧化皮进行清洗，清除过热器管（包括Super304H、T91、TP347H、HR3C 等材料在内）内壁的表层氧化皮，且腐蚀速度较低，不会引发奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。具体清洗介质浓度需要根据试验室小型试验结果确定。清洗工艺步骤主要有：①临时系统试运；②系统注水及水压试验；③大流量冲洗；④清洗前试验及演练；⑤预缓蚀；⑥第一阶段酸洗；⑦酸洗后水冲洗；⑧第二阶段酸洗；⑨酸洗结束后水冲洗；⑩堵管检测；酸洗效果评定；酸洗废液处理。

最后，对酸洗后的过热器管道进行抽样检查，管内壁氧化皮基本清洗干净，管道、联箱等部位检查无明显残留物，其他各项检测数据合格。

4.5 治理效果

2016 年以来，电厂5#、6#炉运行中未出现过过热器及再热器超温及爆管不安全事件。2017 年以来，历次检查中氧化皮堆积量超标管数量大幅下降，特别是5#炉过热器酸洗后未检查出超标管（仅在高温再热器检查有少量氧化皮堆积量超标管）。

5 结束语

锅炉受热面内壁氧化皮的生成与锅炉燃烧的状态、运行监控及调整、启停控制等密切相关，而受热面金属管子温度波动过大、启停时运行控制不当则是造成电厂氧化皮脱落的主要原因。因此，锅炉运行中应该按照电厂运行规程和制定的防治氧化皮生成及脱落技术专项方案要求，认真监盘，精心调整，通过控制减温水使用、停机闷炉等运行控制措施严格控制锅炉受热面金属壁温超限，可有效减缓氧化皮的生产和脱落；检修中必须做到预防到位、逢停必查、全面覆盖、典型位置重点检查、尽早处理，并实时实施一些技术成熟、先进的治理技改措施。只有相应运行与检修措施进行充分严格的执行，才能有效防治氧化皮的生成与脱落，保障装置的长周期安全运行。