超临界锅炉高再管氧化皮脱落分析与解决措施

               某公司2号炉，为哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进三井巴布科克能源公司技术生产的超临界参数变压运行直流锅炉，型号为HGl980/25.4-YMl。于2005年6月投产。
               锅炉为单炉膛、一次再热、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构n型锅炉，锅炉设计煤种为神府东胜煤。主蒸汽额定蒸发量为1952t/h，温度543℃，压力25.4MPa；再热汽温度569℃。压力4.77MPa。
               高温再热器布置于水平烟道内，与立式低温再热器直接连接，没有布置中间连接集箱，采用逆顺混合换热布置。高温再热器沿炉宽排列95屏，每屏管组采用10根管，人口段管子为Φ57mmx4.3mm，材质为SA-213T22，中间段管子为Φ51mmx4.3mm，材质为SA-213T91，出口段的前6根管子为Φ51mmx4.3mm，材质为SA-213 TP347H，后6(应为后4根)根管子与中间段相同。如图1所示。

图1 高温再热器结构图

               根据其它超临界锅炉在运行中出现的问题，并结合日常金属监督统计结果，2007年2号机组首次大修中。将检查高温受热面有无氧化皮堆积列人检修项目。对屏过、末过、高再底部弯头有无氧化皮堆积进行射线拍片检查。屏过检查了4屏，末过检查了1屏，未在底部弯头处发现有氧化皮堆积。因2号炉的高温再热器在日常金属监督中，发现个别测点处经常有超温现象，故本次着重对超温处进行检查。

       1.1 高再检查情况

             2号炉自投运以来，高温再热器管就有3个测点存在超温现象(超过626℃，从2006年1月开始统计)，这3个测点对应的管屏为A侧数第12、48、90屏，超温时间分别为670、833、2847min。
             本次先对2号炉高温再热器第21测点区域的超温情况进行检查，首先对A侧数第90(第21测点处)、91、96屏的底部弯头进行拍片，检查弯头处有无氧化皮堆积。发现此3屏的炉后弯头处均没有异物堆积．只在炉前侧部分弯头有堆积现象，见表1。

              注：其中数字**一**，前面数字表示从A侧数的屏数，后面的数字表示炉前侧底部弯头从底向上数第几个弯头数。8-11表示从B侧数第8屏。从底向上第11只弯头。

       1.2 氧化膜形成及脱落机理

               据相关资料介绍，在高温下，高温蒸汽管内的铁会和水蒸汽起反应，生成氧化铁系列如Fe3 O 4、Fe2O3、FeO，并放出氢气，3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2，最初生成的氧化层主要是由Fe3O4构成。这层氧化层是较为致密和富有韧性的，对金属母材起着保护作用。随着时间的延长，此氧化膜分成多层，内层是蒸汽中的氧离子对铁直接氧化而成，外层为延伸膜，是蒸汽中的氧离子向里扩散，铁离子向外扩散而形成。当温度在560～570℃以下时，内壁氧化膜的主要成分为Fe3O4和Fe2O3，都比较致密，尤其是Fe3O4可以保护钢材进一步氧化。但当管壁内温度达560～570°C及以上时．生成的氧化物则含有较多的FeO，该层氧化物结构较为疏松，晶格缺陷多。
               氧化膜的形成与脱落是与温度有关，本次对屏式过热器及高温过热器也进行了检查，没在底部弯头处发现有氧化膜堆积；其管内蒸汽温度分别为480～520℃。520～555℃，而高温再热器管的个别管屏则经常超过600℃。
               氧化膜的形成与压力有关，屏过及高过管内压力为25MPa左右，而高温再热器管内压力为4MPa左右。相比之下，再热器管较容易产生氧化膜。
               钢表面在蒸汽中生成氧化膜是个自然的过程，在开始时，膜形成很快，一旦膜形成后，进一步的氧化便慢了下来，与时间呈抛物线关系。但在某些不利的运行条件下，如超温(超过570cI=)或温度压力波动条件下，这时氧化和时间就变成直线关系，氧化皮生成速度加快。
               氧化层剥离有2个主要条件：一是氧化膜达到一定厚度(不锈钢0.1mm、铬钼钢0.2-0.5mm)，二是温度变化频繁、幅度大、变化率高。过热器或再热器钢材的热胀系数一般在(16-20)×10-6/℃，而氧化铁的热胀系数一般在9.1×10-6/℃，由于热胀系数的差异，在氧化层达到一定厚度后，在温度发生变化尤其是剧烈或反复变化。氧化皮很容易从金属本体剥离，铬钼钢管的氧化皮内外层同时剥离，剥离厚度达0.2mm，而不锈钢只剥离0.05mm的外层。
               氧化层的剥离是受氧化膜与基体之间膨胀系数不同产生的应力作用而发生的。且由于铁基体和Fe3O4、Fe2O3、FeO氧化物之间热膨胀系数各不同，在温度变化范围较大时，就容易剥落，剥落的氧化皮随蒸汽流动。多数被带人汽轮机，在某些情况下会在垂直管屏的U形弯头底部沉积(弯头变径时，管壁较直段为薄，内径也较直段为狭)，阻碍蒸汽流动，引起炉管过热爆管。

               高温再热器炉前侧弯头处有氧化皮的堆积，割管进行内窥镜检查，发现氧化皮呈片状，有磁性。如图2所示。

图2 氧化皮堆积形貌

               随后对超温区域的其它几屏进行扩大检查，检查范围为A侧数第84、85、86、87、88、89、92、93屏进行检查，均发现在炉前侧弯头处有氧化皮堆积，对以上11屏检查结果统计见表2。

       表2 检查结果统计

               从表2可见，高温再热器管中氧化皮脱落情况分布较广。相对低温的进口段较少，但出口段无论是全部T91的管子还是部分为TP347的管子，均有氧化皮的脱落，用内窥镜观察管内氧化皮情况，可断定大部分氧化皮来源于T91管材；由图3、图4可见，T91管内壁的氧化皮有的鼓起，有脱落现象，而TP347管内表面则较均匀。TP347抗氧化性比T91要高，本次高温再热器产生氧化皮并造成氧化皮脱落的主要原因就是高再管局部区域的严重超温。
               对统计不超温的A侧数第1、5、6屏进行拍片检查。发现进口段有8只底部弯头有氧化皮堆积，厚度只有3~4mm，出口段(含部分TP347)2只有氧化皮堆积。
                                   

                                                   图3 T91管内壁形貌                                                                                          图4 P347管内壁形貌

               日常的金属监督统计中知道高再只是在个别测点附近的管屏超温，从检修时的拍片检查证明了这一点。是超温严重引起氧化皮的产生与脱落。同时高再氧化皮堆积的分布特点是B侧多于A侧，可初步判断在水平烟道内存在流速或者温度场的左右分布不均，造成B侧高温再热器超温严重。同时我公司将高再的超温报警值定为626°C，此温度目前看来不合理．超过了T91的长期使用温度。不能保证高再的正常运行．应该降低。
               高温再热器局部区域超温的原因是水平烟道内烟气分布不均，而烟气分布不均的原因：一是因吹灰器对中间的5-6排吹不到，使中间几个管屏处积灰严重，导致中间部分的通流面积小；烟气在两侧的流量大。二是从锅炉专业得知A侧空预器堵塞比B侧严重。使B侧烟气流量比A侧大。这就造成B侧超温严重，促进氧化皮的生成，使高再管底部弯头堆积较多的氧化皮。

       3.1 检修措施

               考虑到检修时间，本次检修只对堆积高度超过10mm的高再管进行割管，取出堆积的氧化皮。

       3.2 运行措施

               1)对于检查出的氧化皮堆积高度低于10mm的管屏及其它还未检查的管屏，由发电运行部制定措施。于启动过程中利用旁路尽早建立较大的启动蒸汽流量。对再热器进行吹扫，力求将底部弯头堆积的氧化皮吹出，减少氧化皮沉积形成堵塞的可能性。
               2)为防止氧化皮的脱落，运行上也采取了对应的措施，如启停机过程中控制升压降压速度；机组在启停操作当中，升(降)温升(降)压平缓可控，不可大起大落或者幅度过大。减温水操作时其投停和调节尽量平稳和小幅度操作。防止减温水大增大收的脉冲式变化；避免在蒸汽流量很低时投用减温水，防止出现启动过程汽温与壁温的大幅波动现象。
               3)停炉时要避免紧急停炉、强迫快速冷却，防止壁温的大幅快速下降，停炉后应尽量增加锅炉保温时间。
               4)正常运行中要控制管壁温度，不超过管壁温度报警值；控制汽温变化，避免出现超温现象，防止氧化皮的快速产生。
               5)降低再热器管壁温度报警值至616°C。
               采取上述措施后，该炉顺利启动，至今运行有1个多月，未发生因氧化皮原因造成的停炉事件。

               高温受热面氧化皮的产生与脱落与管内蒸汽温度有关，温度越高，形成氧化膜的时间越短，越易脱落。故需从运行、检修两方面，采取各种措施，防止受热面超温。
               一定的温度及压力下。T91比TP347管材更易产生氧化皮并脱落。
               对高温受热面底部弯头有氧化皮堆积时，启机时要开旁路，用大流量蒸汽尽力将氧化皮吹出，防止其在运行后减少蒸汽流量。
               再热器壁温报警值设为626°C不合理，不能保证高再的正常运行。