600 MW 机组锅炉高温受热面氧化皮剥落原因分析及防治措施

摘要: 针对某电厂2 号机组600 MW 锅炉过热器氧化皮剥落堵塞过热管造成管壁超温爆管的问题, 对锅炉管道爆口附近铁素体钢( T23/ T91) 管样的金相组织及氧化皮成分与结构进行分析, 得到了氧化皮的生成及剥落机理, 结果表明在高温运行状况下: 氧化皮的生成速度取决于金属管壁温度和钢材的抗氧化性能; 氧化皮的剥落主要取决于氧化皮与金属基体的温差及温度变化速率。从锅炉运行调整、化学清洗和加强检查等方面提出了预防和减少锅炉高温受热面管内氧化皮的形成及剥落的措施。这些防治措施可有效地减少因氧化皮形成及剥落而引起管束超温爆管的事故, 提高了机组的可靠性。

关键词: 600 MW 机组; 超临界压力锅炉; 高温受热面; 氧化皮产生; 氧化皮剥落; 爆管

1设备及爆管情况简介

1、1 设备情况

某电厂2 号机组600 MW 锅炉是由哈尔滨锅炉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[ 1] ,为单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构II型锅炉。锅炉燃烧方式为前后墙对冲燃烧, 前后墙各布置3层的低NOx轴向旋流燃烧器, 每层各有5只, 前墙最下层5 只燃烧器配置等离子点火装置取代点火油枪[ 2]。锅炉设计煤种为神府东胜烟煤, 校核煤种为山西晋北烟煤。水冷壁和包墙过热器材质为15C rMoG, 屏壁过热器材质为SA213-T91 和SA213-TP347H, 末级过热器材质为SA213-T91 和SA213-TP347H,高温再热器材质为12Cr1MoV G( 入口段) 、SA213-T91( 中间段) 和SA213-TP347H( 出口段) 。

1、2 爆管情况

2008 年3 月8 日, 2 号机组锅炉在启动后带正常负荷运行一天, 因为过热器氧化皮剥落堵塞过热器蒸汽管道( 发生在屏壁过热器及末级过热器处) ,导致锅炉爆管。

2 号机组解列锅炉通风冷却后, 检修人员进入锅炉内检查, 发现从锅炉左数第9 屏14 管( 从向内围数) 、11 屏1 管、22 屏4 管入口管段爆管,爆口位置全部位于T91 与TP347H 异种钢焊口上方约10 mm 的T91 管道。爆口均呈喇叭口形状,胀粗十分明显, 爆口边缘锋利, 破口附近氧化层很薄。判断为短期过热超温爆管, 怀疑管道内部有异物堵塞。

将变色较严重的一根管道下弯割下, 从管弯内倒出大量氧化皮粉末( 如图1 所示) , 质量约300 g。经广东电网公司电力科学研究院及西安电力科学研究院金属专家现场检查, 判断为末级过热器TP347H 管段内部氧化皮剥落造成管道堵塞, 管道局部短时间过热发生爆管。

图1氧化皮的形状

2氧化皮产生、剥落及其危害分析

2、1 氧化皮生成机理

研究发现: 水蒸气可以在高温下分解成氢和氧, 金属在高温水蒸气中发生氧化, 尤其水蒸气在570℃ 以上对钢材有较强的氧化性, 600~ 620℃氧化速度加快, 不锈钢氧化层会迅速增厚。图2 为不锈钢在650℃水蒸气中的氧化曲线。

图2 不锈钢在650℃水蒸气中的氧化曲线

主要化学反应方程式为:

3Fe+ 4H2 O Fe3O4+ 4H2 ;

2H2O 2H2+ O2 .

西安热工院对锅炉铁素体钢( T23/ T91) 管样的金相分析结果为: 蒸汽侧氧化皮微观结构形貌为双层结构, 外层为Fe3O4 和少量Fe2O3 , 内层为Fe3 O4 或Cr3O4。

2、 2影响氧化皮生成的主要因素

锅炉运行中金属管壁温度和钢材的抗氧化性能:

a) 同一种钢材在不同温度下抗氧化性能。管壁温度越高, 氧化速度越快。图3 为同一种钢材在不同温度下抗氧化性能示意图。

图3同一种钢材在不同温度下抗氧化性能示意图

b) 不同种钢材在相同温度下抗氧化性能。钢材抗氧化性能越好, 氧化速度越慢。

2、3影响氧化皮剥落的因素

氧化层剥离有2 个主要条件: 一是多层氧化层达到一定厚度,不锈钢为0、1 mm, 铬钼钢为0、2~0、5 mm( 运行( 2~ 5)X104 h 可以达到); 二是金属材料与氧化膜或氧化膜层间应力是否达到临界值。温度变化频繁、幅度大、变化率高是造成热应力大

的主要原因, 此外还取决于金属材料本身的特性[ 3] 。实际上, 氧化皮本身就是一种金属化合物的混合物, 它的线膨胀系数一般在9、1 X10- 6 ℃ - 1 ,金属材料线膨胀系数与之相差越大, 越易剥落( 见表1) 。铁素体T91 钢和奥氏体不锈钢TP347H 管内壁均容易生成氧化膜, 控制不当易剥落堵管或引起超温爆管泄漏事故。

表1 各金属材料线性膨胀系数

2、3、 1 氧化皮剥落的特点

通常在机组启动后运行时间较短的情况下, 就会出现管壁局部过热、爆管现象。该现象一般多发生在炉膛出口到水平烟道高温段过热器、高温段再热器部分, 但也有运行较长时间才爆管的。

2、3、2氧化皮的主要危害

a) 氧化皮剥离造成受热面超温, 剥落后的氧化皮一般集中在高温段受热面U 型管底部弯头或出口管段中部, 有的在联箱的节流孔部位, 导致局部过热, 超温爆管。

b) 氧化皮的产生容易使主汽门卡涩, 造成机组停机, 主汽门无法关闭, 威胁机组安全停运并容易堵塞细小管道、疏水阀门和逆止门等, 使系统产生潜在隐患。

c) 流动蒸汽带出的氧化皮对汽轮机部件产生固体颗粒侵蚀, 造成汽轮机喷嘴和叶片侵蚀损坏并污染水汽品质。正常条件下, 在过热器中T91 铁素体上生长的氧化皮是汽轮机发生固体颗粒侵蚀的最主要因素。

3氧化皮剥落造成爆管的实例分析

通过上述对氧化皮生成机理、剥落原因及危害的分析, 初步推断造成TP347H 爆管的原因可能有以下几点:

a) TP347H 管为奥氏体不锈钢管, 是粗精钢,其线膨胀系数为( 1、7~ 1、9)X10- 5 ℃- 1 , 而氧化物的线膨胀系数为9、1X10- 6℃- 1 , 该材质产生的氧化皮和基材膨胀系数差别较大, 在管材温度受扰动时氧化皮很容易从金属本体剥离。机组启动过程中升温、升压速度较快, 整个过程中平均温升率为1、65℃ / min。其中, 由于其他原因造成汽轮机高压旁路关闭, 导致过热器气温有一个较快的温升率( 短时间超过3℃/ min) , 可能是造成氧化皮大量剥落的主要原因。

b) 正常运行时, 因高温受热面有一定超温过热现象, 加速了管壁高温氧化, 已形成一定量的氧化物附着在金属内壁上。

c) 锅炉滑停中温降速度控制不当, 造成不锈钢收缩快, 氧化物收缩慢。氧化物受热应力作用而龟裂、剥落, 加上蒸汽流量低, 携带能力降低, 最终氧化物沉积至管道下部。

d) 由于煤质、热负荷的变化, 在低负荷( 60%额定负荷及以下) 时部分过热器管蒸汽流量偏低,流速偏差大, 可能造成局部过热而引起爆管[ 4] 。

e) 也有可能在启动中冷、热态冲洗不够, 未将已剥落的氧化皮冲洗干净。

根据2 号机组启动后的锅炉爆管的时间分析,管道内部氧化皮大幅度剥落的时间可能发生在启动过程中。

4治理思路及防范措施

4、1治理思路

重点可考虑为以下4 步: 减缓生成控制剥落加强检查及时清理。

4、2防范措施

在运行上采取以下措施[ 5] :

a) 启动中加强冷、热态冲洗, 严格控制冷态冲洗和热态冲洗水质指标; 充分利用旁路系统进行蒸汽系统的清洗, 保证氧化皮等杂质被冲洗干净;并注意控制水质中铁和二氧化硅的含量。

b) 严格控制锅炉升温、升压速度, 汽轮机冲转、机组并网转干态运行前, 温升率应不超过1、5℃/ min。尽量避免使用减温水, 尤其是二级减温水的使用。对于使用燃油或微油点火技术的机组控制温升率一般问题不大, 但使用等离子点火技术的

机组在点火初期应加强调整。

c) 机组并网转干态后, 控制主、再热汽温在530℃, 运行不低于5 h 并尽量争取大于500 MW负荷连续运行( 大流量冲洗需要) 。

d) 根据炉水给水水质情况投入加氧工况, 目的是通过改变给水处理方式, 在碳钢表面形成双层氧化膜。严格控制给水阳离子的电导率小于0、1uS/cm , 当给水阳离子电导率大于0、3uS/ cm, 应停止加氧处理。

f ) 事故跳机情况下, 在故障比较明确, 不影响机组冲转、并网的前提下, 要尽快冲转、并网带负荷, 避免锅炉受热面金属壁温出现大幅度降落。

g) 停炉超过3 天, 锅炉带压放水前, 正常吹扫后应密封炉膛, 因设备和检修原因, 可以通过自然通风冷却, 但应避免停炉后18 h 内强制通风冷却。

h) 加强检查, 及时清理。拍片检查管内堆积情况, 氧化皮测厚, 内窥镜检查管壁剥落情况, 割管清理。本着逢停必查的原则, 停炉时间超过3 天要对屏壁过热器、末级过热器管屏进行检查, 发现管道有变色等异常时应及时进行检查、处理。

i) 增大停运频率, 加强设备的正常维护, 延长检修周期。

5 结束语

氧化皮的生成速度取决于金属管壁温度, 氧化皮的剥落主要取决于氧化皮与金属基体的温差及温度变化速率。控制金属管壁温度是治理氧化皮减缓生成问题的关键。温度变化产生的热应力是导致氧化皮剥落的主要原因, 是控制剥落的重点。加强检测、及时发现、及时清理保证机组在健康状态下运行。2008 年爆管事故后, 运行人员严格执行厂里规定的防止氧化皮的措施, 2 台600 MW 锅炉未再发生过因氧化皮的原因造成爆管停机事故。

参考文献:

[1] 黄小峰超临界直流锅炉启动系统配置方式的选择[ J] . 广东电力, 2009, 18( 7) : 28- 30.

[2] 林俊滨超(超) 临界锅炉高温管内氧化皮形成机理及堵塞规律研究[ D]广州: 华南理工大学, 2010