超临界锅炉过热器氧化皮形成和剥落机理分析及预防措施

热力发电 ·2007 (11) 　ρ|　　收稿日期 : 　2007207231作者简介 : 　李英 (19742) ,男 ,工程师 ,从事发电厂锅炉专业技术工作。E2mail :　 　liying1211 @126. com 超临界锅炉过热器 氧化皮形成和剥落机理分析及预防 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 李　英1 , 高　增1 , 侯君明2 1. 北京国华电力技术研究中心 , 河北 三河 　065201 2. 国华太仓发电厂 ,江苏 太仓 　215400 [摘 要 ] 　介绍了太仓电厂锅炉末级过热器因氧化皮引起的爆管情况。分析了超临界锅炉氧化皮的 形成和剥离机理 ,并从锅炉设备运行、改造及管理等方面 ,提出了控制氧化皮形成和剥落 的措施。通过采取这些措施 ,有效地控制了氧化皮的产生。 [关 键 词 ] 　过热器 ;氧化皮 ;壁温 ;堵塞 ;爆管 [中图分类号 ] 　T K223. 3 + 1 [文献标识码 ] 　B [文 章 编 号 ] 　1002 3364 (2007) 11 0077 04 1 　锅炉过热器系统 国华太仓电厂 8 号锅炉为上海锅炉厂引进美国 AL STOM 技术生产的单炉膛、一次中间再热、四角切 圆燃烧、平衡通风、全钢架悬吊结构、Π型露天布置、固 态排渣超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉 ,型号为 SG21913/ 25. 42M95 ,蒸汽压力 25. 4 MPa/ 4. 19 MPa , 蒸汽温度 571 ℃/ 569 ℃。 锅炉末级过热器布置于水平烟道 ,位于高温再热 器后部 ,与烟气成逆流布置 ,共 82 片 ,为 W 型管圈 ,每 片受热面由 12 根管子组成。管屏 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 采用多种钢材 组合 (图 1 ,虚线表示 SA2132T23 材质 ,细实线表示 SA2132T91 材质) ,其中布置在后部的低温段管屏 1 号、2 号、6 号管采用同一壁厚的 T91 材料 ,4 号管采用 两种不同壁厚的 T91 管 ,其余管采用 T23 管材。布置 在前部的高温段管屏则更复杂 ,1 号管圈背流面垂直 段采用 d38. 1 mm ×7. 96 mm 的 T91 钢管 ,下弯头和 迎流面下部垂直段采用 d38. 1 mm ×7. 06 mm 的 TP347 H 不锈钢管材 ,而迎流面垂直段的上部分全部 采用 d38. 1 mm ×7. 96 mm 的 T91 钢管。 过热和再热蒸汽调温除摆动燃烧器喷嘴调节外 , 主要靠喷水和调节煤水比。Ⅰ级减温器在后屏进口管 道上 ,用以控制进入后屏的蒸汽温度 , Ⅱ级减温器在末 级过热器进口管道上 ,用以控制末级过热器的出口汽 温。 此型号锅炉最早于 2006 年 10 月投产 ,目前已投 产运行 8 台 ,其中国华太仓电厂、沙洲电厂、高资电厂 各安装 2 台。2007 年 6 月 22 日 ,太仓电厂 8 号锅炉末 级过热器因氧化皮剥落堵塞造成爆管 ,从投产到出现 爆管 ,机组运行 9 000 h。在此之前 ,沙洲电厂、高资电 厂在仅运行 5 000 h 后 ,过热器就因氧化皮剥落造成爆 管。氧化皮形成和剥落主要发生在末级过热器 (高温 再热器也有发生) ,并具有普遍性、反复性和快速性等 特点。 技术交流 　　ρ}　　 热力发电 ·2007 (11)图 1 　末级过热器高、低温段材质2 　爆管情况2007 年 6 月 20 日 14 : 40 ,太仓发电厂 8 号炉点火 ,至 21 日 0 :30 ,机组带负荷至 600 MW。6 月 22 日1 :50 ,锅炉再热汽温异常升高 ,给水流量突增至 100 t/h ,现场检查 68 m 处异音较大 ,确认为受热面泄漏。停炉后检查发现 ,末级过热器有两处爆口 :第 1 处(图 1)在右侧第 14 屏第 9 根管 ,爆口呈菱形 ,长度 60mm ,宽度 32 mm ,端面光滑。爆口两边呈撕薄撕裂状 ,从爆口特征分析为短期过热爆口。第 2 处爆口 (图2)在右侧第 24 屏第 11 根管 ,未全部爆开 ,长度 20mm ,爆口附近有众多平行的轴向裂纹 ,从爆口特征分析为长期过热爆口。在该根管下弯头处割管取出约 图 2 　第 1 处爆口 图 3 　第 2 处爆口 图 4 　第 2 根爆管内氧化皮 90 g 的氧化皮 ,其厚度 0. 14 mm (图 4) 。两处爆口全 部在标高 70 m 位置。爆管管子规格 : d38. 1 mm × 7. 96 mm ,材质 SA2132T91。 发生爆管后 ,太仓电厂采取γ源透视、胀粗测量、 割管等措施扩大检查 ,共发现吹损减薄管 35 根 ,胀粗 直径大于 d38. 5 mm 的管子 6 根 ,内部沉积氧化皮管 子 3 根 ,对此全部进行了处理。 爆管原因初步分析为 :上海锅炉厂超临界锅炉末 级过热器管屏内圈直管和下弯头部位 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 使用了抗高 温氧化性能比 T91 等级低的 T23 材料 ,在长期高温作 用下 , T23 管内壁生成氧化皮 ,并不断增厚。在锅炉 起、停以及负荷突变的情况下 ,由于母材与氧化皮的线 膨胀系数不一致 ,温度应力差等致使氧化皮拉裂而发 生剥落 ,顺蒸汽流至出口端下部弯头处堆积 ,使管路流 技术交流 热力发电 ·2007 (11) 　ρ∼　　 通截面减少 ,进而发生过热而爆管。 太仓电厂 8 号锅炉与同型号的沙洲电厂 1 号、2 号机组、高资电厂 5 号、6 号机组锅炉末级过热器、末 级再热器产生氧化皮情况对比见表 1。 表 1 　太仓电厂、沙洲电厂、高资电厂锅炉氧化皮问题对比 电厂 机组 　因氧化 　皮爆管 　次数　 爆管位置 加氧运行 首次因氧化 皮爆管运行 时间/ h 现行起 动速率 / ℃·min - 1 末级过热 器出口汽 　温/ ℃ 末级再热 器出口 汽温/ ℃ 减温水投 入情况 金属壁 温/ ℃ 更换管 材/ 根 增加壁 温测点 沙洲 电厂 高资 电厂 太仓 电厂 1 号 1 末级再热器出口段 2 号 0 出现氧化皮 5 号 0 6 号 6 末级过热器 和末级再热 器出口段 7 号 0 8 号 1 末级过热器 曾加氧 现取消 曾加氧 现取消 一直未 加氧 5 000 5 200 9 000 ≯3 ≯570 ≯570 减温水存在偏差 末级过热 器≯600 ; 末级再热 器≯590 1～3 ≯571 ≯571 偏差 小 , 很少投减 温水 不控制 ≯3 ≯571 ≯569 两侧有较大偏差 末级过热 器≯610 ; 末级再热 器≯620 未更换 10 未更换 0 未更换 0 82 24 0 　　从表 1 可以看出 ,3 个厂共有 4 台锅炉末级过热 器、末级再热器产生氧化皮 ,其中 3 台锅炉因产生氧化 皮而爆管 ,爆管有如下共同现象 : (1)产生氧化皮的时间都比较短 (5 000 h～9 000 h) ,远小于有关文献中介绍的锅炉运行 3 万 h 后易出 现氧化皮的结论。 (2)产生氧化皮之前机组都曾经多次起停 ,特别是 在停机过程中采取了快速冷却的方法。 (3)爆管大多在机组起动后短时间内出现 ,一般都 小于 50 h ; (4)爆管后进行检查 ,氧化皮并不是很明显。 3 　氧化皮形成剥落分析 3 . 1 　氧化皮的形成 钢表面氧化皮的生成是金属在高温水汽中发生氧 化的结果。在 570 ℃以下 ,生成的氧化膜是由 Fe2 O3 和 Fe3 O4 组成 , Fe2 O3 和 Fe3 O4 都比较致密 (尤其是 Fe3 O4 ) ,因而可以保护钢材以免其进一步氧化 (图 5) 。 当超过 570 ℃时 ,氧化膜由 Fe2 O3 、Fe3 O4 、FeO 3 层组成 ( FeO 在最内层) ,主要是由 FeO 组成 ,因 FeO 致密性差 ,破坏了整个氧化膜的稳定性 (图 6) 。 事实上 ,当温度超过 450 ℃时 ,由于热应力等因素 的作用 ,生成的 Fe3 O4 不能形成致密的保护膜 ,使水蒸 气和铁不断发生反应。当汽水温度达到 570 ℃以上 , 反应生成物为 FeO ,且反应速度更快 ,此时 ,金属的抗 氧化能力大大降低。 图 5 　蒸汽管内壁形成的致密氧化膜结构 图 6 　高于 570 ℃管内壁多层氧化膜结构 3 . 2 　影响氧化皮生成的因素 氧化皮形成与温度、时间、氧含量、蒸汽压力和流 速、钢材成分、氧化皮成分等有关。通常认为 :温度愈 高 ,时间愈长 ,介质中氧的分压愈高 ,流速愈快 ,氧化皮 生成速度愈快 ;钢中加入 Cr、Al、Si 等元素 ,生成的氧 化膜致密而牢固 ,可以使钢材的抗氧化性提高。 多项研究表明 :金属表面的氧化膜并非由水汽中 的溶解氧和铁反应形成的 ,而是由水汽本身的氧分子 氧化表面的铁所形成的。在 570 ℃以上 ,水分子会分 技术交流 　　συ　　 热力发电 ·2007 (11) 解为氢氧原子结构 ,大量的氧原子充分满足了氧化反 应的需要。而 570 ℃也正是形成不致密的 FeO 的关 键温度值 ,所以 570 ℃应该成为制定运行参数的重要 参考。 3 . 3 　氧化皮的剥落 氧化皮的剥落有 2 个主要条件 : (1)氧化层达到一 定厚度 ,通常不锈钢为 0. 10 mm ,铬钼钢为 (0. 2～ 0. 5) mm ; (2)温度变化幅度大 ,速度快 ,频度高。 T23 钢材的热胀系数一般在 (12～14) ×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 ,当垢层达到一定厚度后 ,在温度发生变 化 ,尤其是发生反复或剧烈变化时 ,氧化皮即很容易从 金属本体剥离。 在机组起停过程中 ,管子的温度变化幅度最大 ,管 内的氧化皮也最容易剥落。加之在起动初期蒸汽流量 较小 ,不能迅速地将剥落氧化皮带走 ,等到大流量时 , 已经在管径较小的弯头处形成堵塞 ,就会产生超温。 所以氧化皮堵塞造成的爆管大多发生在起动后的短时 间内。 4 　防止氧化皮生成和剥落的措施 太仓电厂超临界锅炉末级过热器和末级再热器出 口金属壁温最高可达到 600 ℃以上 ,入口壁温约为 510 ℃,按锅炉制造厂提供的壁温测点测量偏差 30 ℃ 计算 ,实际壁温值出口段最高可达到 630 ℃。按照简 单线性温升计算 , T23 管段的实际壁温值最高可达到 600 ℃,已经达到甚至超过了 T23 材质的许用温度上 限 ,生成氧化皮难以避免。对此 ,可采取以下措施 : (1)将 T23 管更换为 T91 管是最彻底的解决办 法 ,但其费用较高 ,而且更换工期较长。从运行 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 上 看 (图 7) ,太仓电厂 8 号锅炉末级过热器屏间壁温值 为明显的双驼峰曲线 ,偏差达到 50 ℃以上 ,因此从经 济上考虑可以将处在高温区的 T23 管更换为 T91 管。 此 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 相对节省投资 ,但仍需要在运行中采取措施控 制壁温 ,避免超温。 (2) 上海锅炉厂 600 MW 机组超临界锅炉末级过 热器设计安装壁温测点 44 点 ,每隔 4 屏在 6 号管加一 个点 ,第 22 屏和第 61 屏逐根管加装测点。考虑各屏 间管子壁温的偏差 ,在高温区、曾经爆管区域等全部加 装壁温测点 ,扩大对管子运行温度的监视范围 ,降低超 温的风险。 图 7 　太仓电厂 8 号锅炉末级过热器屏间壁温差对比 (3)从两侧减温水量的偏差上和末级过热器屏间 壁温差曲线可以看出 ,太仓电厂锅炉左右侧烟温存在 明显偏差。这不仅使一侧的受热面管子容易出现超 温 ,而且减温水的投退 ,特别是低负荷时二级减温水的 投入会影响到壁温的突变。因此 ,对炉膛出口烟气的 实际温度进行测量 ,对可以降低烟气残余旋转的 SO2 FA 风进行调整 ,使其能够最大地降低炉膛出口的烟 气残余旋转 ,以使烟温偏差值控制在 50 ℃以内。 (4)温升 (降)速率直接影响到氧化皮的剥落 ,由于 氧化皮和基体金属的线膨胀系数有明显差异 ,控制温 升速率显得尤为重要。如果燃烧器采用等离子点火 , 为防止等离子起动初期温升难以控制 ,建议起动时投 油助燃。 (5)在起动初期 ,通过汽轮机起动旁路对系统进行 长时间大流量低压冲洗 ,以将沉积的氧化皮冲走。在 起动和升负荷期间 ,注意监视管壁温度 ,如发现异常 , 可以采取快速升降负荷变压冲洗。 (6)利用停机检修机会采用超声波测厚仪对末级 过热器、高温再热器进行氧化皮检测。 (7)加强炉膛吹灰 ,定期清洁炉膛 ,以增强炉膛的 吸热 ,降低过热器壁温。根据实际运行经验 ,炉膛吹灰 器投入前后 ,过热器壁温可以降低 5 ℃以上 ,减温水量 减少 50 %以上。 [参 　考　文 　献 ] [1 ] 　唐海宁 ,等. 2 000 t/ h 锅炉高温过热器氧化皮形成剥离 机理分析与综合治理[ A ] . 首届江苏省电力安全论文集 , 2004. [2 ] 　银龙 ,等. 超临界机组氧化皮的产生与防范 [J ] . 电力设 备 , 2006 , (10) . [3 ] 　李耀君. 氧化皮脱落导致的过热器管爆管分析 [J ] . 热力 发电 ,2005 , (6) . (下转第 83 页) 技术交流 热力发电 ·2007 (11) 　σξ　　 电弧喷涂镍铬合金涂层作为工作底层 ,再用铝层进行 封闭处理 ,涂层厚度 (300～400)μm。经多次检查表 明 ,具有工作底层的电弧喷涂防护涂层比没有工作底 层的电弧喷涂防护涂层更适合炉膛低温热腐蚀环境。 表面喷铝涂层可实现对电弧喷涂层的封闭处理 ,有效 提高涂层体系的抗锅炉热腐蚀。目前 ,在 3 号、4 号炉 中使用情况良好[ 5 ] 。 (4) 粉末冷喷涂镍包铝技术。粉末冷喷涂技术使 喷涂技术发展到了一个新的水平 ,其中自熔性合金粉 末、复合粉末已在生产中得到广泛应用。在电厂防腐 实践中 ,有用镍包铝 (或铝包镍) 作为水冷壁防高温腐 蚀的喷涂粉料的成功实例 :水冷壁管经预处理后 ,使用 自熔性复合粉末镍包铝 F501 进行冷喷涂 ,结合强度可 满足使用要求 ,经测试可以代替渗铝管。该喷徐方法 简便易行、不受条件限制、可推广使用。 (5) 在水冷壁管表面涂刷防蚀防磨涂料。如发现 水冷壁管已经减薄存在爆管可能 ,但未到换管及喷涂 防腐蚀涂层时 ,可采取临时措施 :对已减薄的管子表面 涂刷防蚀防磨涂料 ,进行短期防磨防腐。 [参 　考 　文 　献 ] [1 ] 　范从振. 锅炉原理[ M ] . 北京 :水利电力出版社 ,1986. [2 ] 　齐慧滨 ,等. 燃煤火电厂锅炉“四管”的高温腐蚀 [J ] . 腐蚀 科学与防护技术 ,2002 , (2) :1132116. [3 ] 　陈红菊 ,等. 火电厂锅炉水冷壁热腐蚀机理的研究现状 [J ] . 电力建设 ,2000 , (2) :17219. [4 ] 　罗伟光 ,等. 火电厂锅炉水冷壁高温腐蚀及防护 [J ] . 电力 建设 ,2000 , (11) :57258. [5 ] 　李瑞欣 ,等. 电弧喷涂在电厂锅炉水冷壁防护的应用研究 [J ] . 中国电力 ,2002 : (12) ,70272. STUDY ON HIGH2TEMPERATURE CORROSION OF WATER2WALL IN UTIL ITY BOIL ER AND PREVENTION THEREOF FU Hong , ZHAN G Bai2quan , L I Yong China Mining U niversity , Xuzhou 221008 , J iangsu Province , PRC Abstract :The mechanism of high2temperature corrosion on water2wall of coal2fired boilers in thermal power plant s has been briefly presented , and preventive countermeasures being put forward directing against different causes of high2temperature corrosion , the prevention technology of spraying corrosion2resistant metallic coatings onto surface of the water2wall being emphatically narrated. Key words :boiler ; water wall ; high2temperature corrosion ; p revention ; metallic coatings (上接第 80 页) ANALYSIS OF MECHNISMS FOR OXIDE SKIN FORMATION AND EXFOL IATION IN SUPERHEATER OF SUPERCRITICAL BOIL ERS AS WELL AS PREVENTIVE MEASURES THEREOF L I Ying1 , GAO Zeng1 , HOU J un2ming2 1. Beijing Guohua Elect ric Power Technique Reseach Cent re , Yanjao 065601 , Hebei Province , PRC 2. Guohua Taicang Power Plant , Taican 215400 , J iangsu Province , PRC Abstract :The tube2burst due to oxide skin in final2stage superheater of Taicang Power Plant has been presented , the mechanisms of oxide skin formation and exfoliation in supercritical boilers being analysed , and control measures for oxide skin formation and exfoliation being put forward f rom aspect s of boiler operation , equipment ret rofit and management etc. . Through adopting these measures , the formation of oxide skin can be effectively controlled. Key words :superheater ; oxide skin ; wall temperature ; plugging ; tube2burst 技术交流