燃煤电厂大型汽轮机组氧化皮的危害及防治 熊爱萍 (大唐贵州发耳发电有限公司 553017) 摘要:随着高参数、大容量机组出现,过热器、再热器产生氧化皮脱落造成锅炉超温爆管、主汽门卡涩、固体颗粒物对汽轮机叶片冲蚀问题已日益突出,严重影响机组安全、经济、稳定运行。对氧化皮进行防范和预控,提出预警和采取应对措施,减少和避免因氧化皮造成汽机调门卡涩、汽轮机叶片冲蚀以及锅炉爆管发生。 With high parameter and large capacity units, superheater and reheater boiler scale shedding generated overtemperature tube, the main valve jamming, solid particle erosion of steam turbine blade has increasingly prominent, seriously affect the safe, economic and stable operation of unit. To prevent and control counter scale, put forward the early warning and response measures, to reduce and avoid caused by scale turbine, turbine blade erosion and tone jamming boiler tube. 关键词:氧化皮 爆管 卡涩 预控 Keywords: scale precontrol tube jamming 前言 国内燃煤机组600MW从亚临界向超临界机组发展,随着高参数、大容量机组出现,蒸汽温度从540℃/566℃提高到600℃/600℃,参数的提高使机组效率提高,供电煤耗降低到280g/kWh左右,但伴随着出现过热器、再热器氧化皮问题。过热器、再热器氧化皮脱落随着机组运行时间的延长,氧化膜的厚度增加,在锅炉的频繁启动、停炉或升降负荷过程中,管子温度变化幅度很大,由于母材和氧化膜的热膨胀能力不同,基体会对表面的氧化膜产生拉或压的作用,这些作用都会导致氧化膜开裂。在多层氧化层达到一定厚度,加上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。 过热器、再热器产生氧化皮脱落造成锅炉超温爆管、主汽门卡涩、固体颗粒物对汽轮机叶片冲蚀问题,严重影响机组安全、经济、稳定运行。对氧化皮进行防范和预控,提出预警和采取应对措施,减少和避免因氧化皮造成汽机调门卡涩、汽轮机叶片冲蚀以及锅炉爆管发生。 氧化皮对机组安全运行的影响 大唐贵州发耳发电有限公司为4×600MW火电机组,锅炉为上海锅炉厂生产的SG-2028/17.5-M916型亚临界压力、中间一次再热、控制循环汽包炉,汽轮机采用上海汽轮机有限公司生产的N600-16.7/538/538型亚临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、凝汽式汽轮机。2008年6月首台机组投产发电,2012年2月,1号机组在开机过程中因氧化皮脱落造成高压主汽门卡涩不能开启,机组未能正常启动,此后多次出现调门卡涩的问题。在机组等级检修对高压喷嘴的叶片有冲蚀坑,低压缸汽轮机叶片在检查中也出现不同程度的冲蚀坑,氧化皮对机组的安全经济运行影响日益突出。 机组在停机和启动时,以及负荷、温度和压力变化较大时,锅炉受热面上达到剥离条件的氧化皮开始逐渐剥离下来,堆积在锅炉过热器蛇行管受热面底部。剥离下来的氧化皮垢层,一部分被高速流动的蒸汽带出过热器,另有一些会落到U形管底部弯头处。当某一根管子开始有了一些脱落物堆积,它的管壁温度比周围的管子高,底部弯头处氧化皮剥离物的不断堆积,使得管内通流截面减小,造成流动阻力增加,导致管内的蒸汽流通量减少,使管壁金属温度升高。当堆积物数量较多时,造成管壁超温引起爆管。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。 氧化皮对汽轮机产生固体颗粒侵蚀,造成汽机喷嘴和叶片侵蚀损坏。从过热器和再热器管剥离的氧化皮,很大一部分被极高流速的蒸汽携带出过热器和再热器,这些被携带的氧化皮剥离物颗粒具有极大的动能,撞击汽轮机喷嘴和叶片,使汽轮机的喷嘴和高压级叶片受到很大的损伤,使通流部分效率下降,机组出力损失。 氧化皮的脱落也极大的影响热力系统水汽品质,造成热力系统水汽品质不合格,含铁量超标,成为水冷壁等易结垢部位沉积物的主要来源。 低压缸汽轮机叶片被冲蚀坑点: 汽轮机喷嘴冲蚀坑点 主汽门阀芯 发耳电厂3号机1号高压主汽门垢样分析: 分析项目	含量(%)	分析项目	含量(%)	三氧化二铁	96.25%	氧化钾	0.12	三氧化二铝	1.11	二氧化硅	1.33	氧化钙	0.20	硫酸酐	0.07	氧化镁	0.11	磷酸酐	未检出	氧化铜	0.052	450℃灼烧增量	1.63	氧化锌	未检出	900℃灼烧增量	1.11	氧化钠	0.29	氧化皮形成原因 研究表明,热力系统高温氧化,是氧化性气体(水蒸汽)在高温条件下与金属反应的过程: 3Fe + 4H2O= Fe3O4+4H2↑ 水蒸汽在氧化金属的过程中释放的氢质子,除了产生氢气以外,还可以在氧化膜中形成氢缺陷,或穿过氧化层直接在金属基底反应,在金属/氧化膜界面处会产生很高的氢压,因而进一步促进氧化膜生长和剥落。另一方面,氧化皮的主要成分是Fe3O4和少量Fe2O3、FeO,铁氧化物与母材热膨胀系数之间有较大差异。所以,氧化层达到一定厚度后,在温度发生变化时,氧化皮很容易从金属本体剥离。水蒸汽在570℃以上对钢材有较强的氧化性,在600℃~620℃之间,氧化速度加快,不锈钢氧化层会迅速增厚。材料高温抗氧化性能相对不足。为了节省造价,锅炉设计时更多考虑材料高温强度,采用粗晶不锈钢,没有充分考虑材料高温下抗烟气、水蒸气腐蚀氧化的性能。 氧化皮的热阻效应导致金属壁温和氧化皮厚度不断提高,最终造成超温运行、组织老化和氧化皮脱落风险加剧。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。研究表明,致密氧化皮厚度每增加0.025mm,管壁温度增加约2℃。 氧化皮形成如下图: 防止氧化皮危害的措施 氧化皮形成不可避免,如何加强管理降低氧化皮脱落对机组运行造成危害,可从以下几个方面着手: 不同材质的氧化皮抗剥落能力有较大差别,因此材质选用合理,是影响氧化皮剥落的重要因数,管材中铬含量增加,有助于提高金属的抗氧化能力,因此过热器、再热器材质选用抗氧化性能较好的T91和TP347,可有效减少金属在运行中氧化,减少氧化皮剥落。 金属管壁温度控制是治理氧化皮问题的关键,开展燃烧,优化调整降低高温受热面屏间热偏差成为基础工作。机组在启停过程中,负荷、温度和压力变化较大时,较容易产生氧化皮脱落。在机组启动操作过程中,避免升温速率过快会造成氧化皮大量剥落并堵塞受热面管子。在机组运行过程中严格控制受热面管壁温度不超温运行,并在运行中加强对受热面管子壁温的监测,建立相关台账,为停机检查提供相关依据。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,氧化皮易在降温过程中发生剥落,在350℃附近发生剧烈剥落,所以在停炉过程中要控制好降负荷和降温降压速度。 实行“逢停必检”的原则,在机组停运后,对过热器、再热器进行全面检查,可采用磁通量检测法或超声波检测法对受热面管子氧化皮厚度进行检测,尤其是弯头部位需重点检查,发现有氧化皮堆积及时采取相应措施进行处理。对汽包、凝汽器热水井和除氧器检修时,应清扫容器内铁锈和沉积物,避免启动过程进入水汽系统,影响水汽品质。 加强机组启动前的水质监督,进行锅炉水冲洗,将系统中杂质或氧化皮通过冲洗排出。严格执行机组启动化学水汽品质监督的相关规定,水质不合格,严禁汽机冲转和凝结水以及疏水的回收,提高机组启动后热力系统水汽品质,减少水汽中氧化铁颗粒物对汽轮机的冲蚀。 随着高参数、大容量机组出现,氧化皮脱落对机组的安全运行影响日益突出,不仅会造成锅炉爆管,主汽门卡涩、汽轮机流通部位的冲蚀,严重影响机组安全、经济、稳定运行。对氧化皮的防治涉及运行调整、热动、金属、化学、检修等专业,是一项系统工程,需从运行、检修维护、金属监督、水汽品质控制等方面做工作,是可预防和控制的。 熊爱萍,1973年1月6日女高级工程师 大唐贵州发耳发电有限公司 电厂化学专业 发耳电厂化环部 553017 zwxap1973@163.com