预防氧化皮问题浅析

郭建材肖峰李晓强

（神华国华寿光发电有限责任公司山东寿光262714）

摘要：本文通过对蒸汽管道氧化皮的形成和脱落机理及氧化皮对锅炉蒸汽管道、汽轮机叶片的侵害，就兄弟电厂的实际案例进行了初步的分析，并对如何有效地减轻或减缓氧化皮的生成，保护锅炉及汽轮机设备免受严重侵害总结归纳了预防措施，旨在为神华国华寿电一期机组投产发电后的长期运行提出有参考价值的建议。

关键词：氧化皮；形成；剥离；超温；侵害

1.氧化皮问题概念

氧化皮是钢铁在高温下发生氧化作用而形成的腐蚀产物，由氧化亚铁、四氧化三铁、三氧化二铁组成。蒸汽管道投入运行后在450℃～570℃，水蒸汽与纯铁发生氧化反应，生成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成，两者都比较致密，可以保护或减缓钢材的进一步氧化。因此，过热蒸汽管道内壁在运行后所形成的氧化膜可分为两种情况：(1)如果在锅炉投运之前，通过严格的酸洗和吹管两个环节，将金属管道内壁易脱落氧化层彻底清除干净，吹扫过程中或整机调试的初期，当锅炉运行在亚临界低参数工况下（此时温度不会超过570℃），使管道内壁形成致密的、不易脱落的氧化膜（由Fe2O3和Fe3O4组成，这种氧化膜和金属的基体结合很牢固，只有在有腐蚀介质和应力条件下才会被破坏）。当日后机组运行于超临界工矿下，温度超过570℃时，这种氧化膜可以保护或减缓钢材的进一步氧化，同时自身也可以相对长期地保留。采用加氧运行，可加速形成上述氧化膜；(2)如果在锅炉投运之前，酸洗和吹管两个环节未按要求严格把关，未将金属管道内壁易脱落氧化层彻底清除干净，则投运后很难形成致密的﹑不易脱落的氧化膜。这种易脱落的氧化膜在机组投运后产生恶性循环：脱落→氧化→再脱落→再氧化，最终形成大量的氧化膜。

氧化层剥离有两个主要条件：一是多层氧化层达到一定厚度（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，由于热膨胀系数的差异，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。

2.氧化皮在电力生产过程中的危害

对于超超临界机组锅炉高温受热面管内壁氧化皮剥落后，产生如下诸多危害：1）高温受热面管内壁氧化皮剥落后，堵塞后屏过热器、末级过热器、高温再热器的U型管弯头部位，堵塞蒸汽流通，引起超温爆管。2）超超临界机组启机过程中，后屏过热器、末级过热器脱落的氧化皮产生的颗粒严重影响高旁阀的严密性。3）机组运行过程中，脱落的氧化皮容易堵塞主蒸汽、再热蒸汽管道疏水管路，甚至引起疏水阀门卡涩、关不严，造成阀门内漏，导致阀门后管道及弯头吹损，容易引起爆管，严重危及人身安全。4）氧化皮脱落产生的碎片会造成汽机喷嘴、叶片的侵蚀损坏，尤其对末级叶片产生危害更大；同时也严重影响水汽品质。

3.预防氧化皮脱落

根据以上对氧化皮造成的危害及原因分析认为，相应的防治工作应沿着产生这一问题的全部环节展开。总体思路为：应防止疏松氧化膜的生成；对已脱落的氧化皮应予以清除；对未能清除的氧化皮应尽量减轻其对汽轮机叶片的破坏。

3.1主设备选型：

1）锅炉：首先是降低蒸汽氧化的速率，应尽可能选用抗氧化性能好的管材。

2）汽轮机：鉴于固体颗粒侵蚀主要发生在高、中压缸第1级，故以抗侵蚀为出发点，第1级的喷嘴和动叶材料应选用耐侵蚀能力强的高温材料及采用防固体颗粒侵蚀的保护镀层或涂层，或采用表面硬化处理等措施；配置大容量旁路，减缓启动过程中过热器等蒸汽管道的温度变化，减少了氧化皮的剥离及固体颗粒的产生，同时把启动过程中产生的固体颗粒直接排入凝汽器。

3.2减少锅炉的启停：从基建起，就应充分重视热控联锁、锅炉保护的动作正确性问题，尽量防止MFT误动。

3.3合理的运行方式：（1）尽早的将各程控及自动调节系统投入运行并优化其性能，最大限度地防止操作不当造成的机组强停。（2）应注重采用调节煤水比及燃烧器摆角以及烟气挡板来控制主蒸汽、再热蒸汽汽温，尽可能减少喷水减温的使用频率和喷水量。

4.案例分析

某某电厂#2机组锅炉型号：SG-2028/17.5-M908。锅炉型式：亚临界参数、控制循环、四角切向燃烧、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、半露天布置、全钢构架的∏型汽包炉，于2005年12月31日通过168小时试运行，2008年3月11日到2008年5月6日间，进行了首次检查性A级检修。射线检查后屏过热器全部925只下弯头，通过拍片观察，发现87只弯头（85根管）氧化皮堵塞面积约20%及以上。现场割开第5屏第19根弯头，发现弯头内有水，且有较多氧化皮。氧化皮呈碎片状，较脆，一面呈钢灰色，另一面呈青灰色。单片厚度约0.15mm。氧化皮称重约73.56g（未烘干）。

原因分析如下：（1）某某电厂2号炉截止第一次A修已运行4.46万小时，后屏过热器脱落的氧化皮厚度在0.1-0.15mm，属于锅炉运行期间氧化皮的正常生成现象。（2）从目前后屏过热器壁温测点情况看，锅炉正常运行中，存在短期超温。测量后屏过热器管外径正常。（3）本次后屏过热器氧化皮的剥落，与停机过程中温降有直接关系，导致氧化皮从管道内壁剥落，堆积在管道“U”形弯的下弯头处。（4）电科院氧化皮测试分析结果已出，认为管道的材质、力学性能、金相组织符合要求，氧化皮为典型的Fe2O3结构氧化物；通过运行时间和氧化皮厚度的计算，认为生成0.15mm厚的氧化皮，其当量金属温度约在528℃。

处理方案：（1）将射线检查流通面积超过20%（含20%）的弯管进行切割，清理干净氧化皮，进行外观检查无异常，通球试验合格后重新焊接恢复。（2）对末过、屏再、分隔屏类似部位进行检查。经射线检查末过（T91）30只、屏再28只（12Cr1MoV、T91,设计蒸汽温度较低）、分隔屏过热器（12Cr1MoV、TP347,设计蒸汽温度较低）20只下弯头，均未发现异常。

寿电预防氧化皮问题建议：寿电一期项目2×1000MW机组锅炉是东方锅炉厂生产，型式为：超超临界、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全悬吊结构∏型炉；汽轮机和发电机是由上海电气集团生产，型式为：超超临界、单轴、四缸四排汽、双背压、九级回热抽汽、反动凝汽式汽轮机；设计参数：主汽压力28MPa、主汽温度600℃、再热汽温度620℃，是目前国内百万机组设计参数最高的机组。主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道采用A335P92马氏体型耐热钢，在室温下组织为马氏体，一般含铬为7％～l3％。在650℃左右具有良好的抗氧化性，在600℃以下具有较好的热强性，并有良好的减振性和导热性，在蒸汽轮机制造中广泛应用。

5.小结

研究表明：超过570℃高温蒸汽管道极易形成氧化膜，特别指出，氧化皮问题并不能通过简单的更换高一级别的管材而达到解决。所以寿电氧化皮问题必然会产生，只能通过一系列预防性的措施来减轻或减缓氧化皮的生成和脱落，达到保护锅炉和汽轮机免受严重侵害的目的。机组从调试到正常运行，必须通过运行人员的严格把关、精心调整将氧化皮对设备的损害程度降到最小。

参考文献

[1]贾建伟.锅炉受热面管蒸汽侧氧化皮生长规律及其剥落倾向初步研究.

[2]刘志江.西安热工研究院《超超临界机组汽轮机固体颗粒侵蚀的综合研究》.