至德鋼業(yè)如何解決高溫過(guò)熱器用奧氏體不銹鋼管氧化皮剝落現(xiàn)象

   浙江至德鋼業(yè)有限公司提出了奧氏體不銹鋼管氧化皮剝落是一個(gè)世界公認(rèn)的難題，根據(jù)山西某電廠超臨界參數(shù)鍋爐末級(jí)過(guò)熱器因氧化皮剝落造成的爆管事故，分析了氧化皮生成和剝落的機(jī)理，總結(jié)了使氧化皮受控剝落的有效技術(shù)措施，對(duì)同類型機(jī)組具有借鑒意義。

  山西某電廠1號(hào)鍋爐于2012年1月發(fā)生了末級(jí)過(guò)熱器爆管，從投產(chǎn)到爆管機(jī)組運(yùn)行時(shí)間約7000小時(shí)。爆口呈喇叭狀，管壁嚴(yán)重減薄邊緣鋒利，其坡口斷裂面較為光滑，呈撕裂狀，從其特征分析為短時(shí)間過(guò)熱所致，該根管子下彎頭割開(kāi)后取出不少于80克的氧化皮。分析爆管的主要原因是該管段氧化皮脫落并積存，使管內(nèi)流動(dòng)阻力升高，流量降低，管壁冷卻效果下降，最終導(dǎo)致超溫爆管。

  本臺(tái)鍋爐高溫過(guò)熱器不銹鋼管產(chǎn)生氧化皮的主要原因分析有以下幾點(diǎn)：末級(jí)過(guò)熱器不銹鋼管壁曾出現(xiàn)過(guò)短暫的超溫現(xiàn)象；機(jī)組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)不好，在機(jī)組升降負(fù)荷時(shí)主蒸汽溫度波動(dòng)幅度大；爆管之前機(jī)組曾多次啟停，特別是在停機(jī)過(guò)程中采取了快速冷卻的方法。

 一、設(shè)備狀況

  該鍋爐為2090噸/小時(shí)超臨界參數(shù)變壓直流爐，采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，單爐膛平衡通風(fēng)，一次中間再熱，固態(tài)排渣，全鋼構(gòu)架的Ⅱ型爐。鍋爐型號(hào)：DG2100/25.4-Ⅱ6。

  爐膛寬為22162.4mm，深度為15456.8mm，高度為65000mm，爐膛由下部螺旋盤(pán)繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁2個(gè)不同的結(jié)構(gòu)組成。輻射式屏式過(guò)熱器布置在爐膛上部區(qū)域，在爐深方向布置了2排，2排屏緊挨著布置，每一排管屏沿爐寬方向布置15片屏，共30片，爐內(nèi)受熱面管子均采用SA-213TP347H材料。高溫屏式過(guò)熱器位于折焰角上部，沿爐寬方向布置有35片，爐內(nèi)受熱面管子的材質(zhì)均為SA-213TP347H。高溫屏式再熱器布置于高溫過(guò)熱器后的水平煙道內(nèi)，共96片，爐內(nèi)受熱面管子均為SA-213TP347H材料。

   本臺(tái)鍋爐采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配6臺(tái)磨煤機(jī)，36只燃燒器分3層布置在爐膛前后墻上，其中前墻最下層燃燒器為等離子點(diǎn)火燃燒器。

二、奧氏體不銹鋼管受熱面的氧化皮剝落成因分析

  1. 超臨界機(jī)組主蒸汽溫度均在570℃左右，該溫度下水蒸汽氧化性很強(qiáng)，高溫氧化皮是奧氏體不銹鋼和高溫蒸汽氧化的產(chǎn)物四，其物質(zhì)結(jié)構(gòu)分為3層，最內(nèi)層為（Fe，Cr）2O3、中間層為Fe3O4、最外層為Fe2O3。奧氏體不銹鋼管與超臨界蒸汽接觸，初期氧化速度很快，當(dāng)形成致密的富鉻氧化層后，阻斷了氧與金屬基體的直接接觸，有助于延緩氧化腐蝕，但氧化皮的生成是難以避免的，隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，氧化皮厚度會(huì)逐漸增加；中間層是鐵在高溫純水中形成的FesO4；氧與金屬反應(yīng)生成Fe2O3，如果有Fe2O3出現(xiàn)意味著有水溶氧存在。

  2. 奧氏體不銹鋼氧化皮隨運(yùn)行管壁溫度的升高加快，當(dāng)運(yùn)行超過(guò)其需用溫度時(shí)，金屬氧化速度將呈指數(shù)上漲，受熱面超溫運(yùn)行是導(dǎo)致奧氏體不銹鋼內(nèi)壁氧化皮生成速度快的根本原因。

  3. 氧化皮和管材的熱膨脹系數(shù)不同，氧化皮膨脹系數(shù)約為0.9×106，鋼材約為1.9×10。當(dāng)氧化皮達(dá)到一定厚度后，管壁溫度發(fā)生較大變化時(shí)，氧化皮就會(huì)從金屬本體剝落。所以氧化皮的剝落需要兩個(gè)主要條件：一是氧化皮達(dá)到一定厚度，如不銹鋼達(dá)到0.10mm，鉻鉬鋼達(dá)到0.2~0.5mm；二是溫度變化幅度大、速度快、頻度大。

  4. SA-213 TP347H不銹鋼管允許的使用溫度為648℃，在保證50℃設(shè)計(jì)裕度，一般SA-213TP347H不銹鋼管的使用溫度為600℃。對(duì)于末級(jí)過(guò)熱器，其熱源為高溫?zé)煔?，煙氣溫度要高于蒸汽溫度，因此采用SA-213TP347H不銹鋼管的過(guò)熱器，其溫度并不高。機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間超溫運(yùn)行，會(huì)加速氧化皮的生成。

三、防止奧氏體不銹鋼管受熱面氧化皮剝落的措施

  根據(jù)上述奧氏體不銹鋼管氧化皮產(chǎn)生和剝落原因，分析本臺(tái)鍋爐的運(yùn)行中存在的缺陷，并提出了如下相應(yīng)措施，使氧化皮受控剝落，避免設(shè)備損壞。

  1. 加強(qiáng)鍋爐燃燒調(diào)整，控制爐膛出口煙氣溫度，且煙氣溫度沿寬度方向分布均勻，使管材壁溫不超過(guò)590℃。目前超臨界機(jī)組鍋爐高溫受熱面多數(shù)采用管材SA-213TP347H，設(shè)計(jì)壓力條件下，其報(bào)警溫度為648℃，但是沒(méi)有考慮管材高溫氧化的問(wèn)題，實(shí)際該型奧氏體不銹鋼加速氧化溫度是590℃。

  2. 優(yōu)化機(jī)組協(xié)調(diào)控制的品質(zhì)，在機(jī)組升降負(fù)荷時(shí)主蒸汽和再熱蒸汽溫度變化率不大于2℃/分鐘，抑制受熱面溫度周期性波動(dòng)和溫度變化率，減緩氧化皮剝落。

  3. 加強(qiáng)爐膛吹灰，定期清潔水冷壁和屏式過(guò)熱器，增加爐膛和屏式受熱面的吸熱，降低末級(jí)過(guò)熱器的壁溫。

  4. 機(jī)組啟動(dòng)期間嚴(yán)格監(jiān)視汽水品質(zhì)，防止給水含氧量超標(biāo)。加氧運(yùn)行對(duì)未達(dá)到超臨界參數(shù)環(huán)境的碳鋼和低合金鋼能起到金屬表面鈍化作用，但對(duì)超臨界狀態(tài)下使用SA-213TP347H的高溫受熱面來(lái)講，提高氧濃度對(duì)防止高溫蒸汽氧化不利同。

  5. 機(jī)組停機(jī)后要嚴(yán)禁采用強(qiáng)制冷卻方式。鍋爐受熱面壁溫控制要依據(jù)安裝在頂包內(nèi)的金屬壁溫檢測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行。頂包外側(cè)都覆有保溫層，機(jī)組停機(jī)后散熱量很小，管壁冷卻速度很慢；爐內(nèi)受熱面由于受到通風(fēng)冷卻，管壁溫度變化速率遠(yuǎn)大于頂包內(nèi)管壁溫度變化率，停機(jī)過(guò)程中所依據(jù)的頂包管壁溫度速率雖然沒(méi)有超過(guò)要求，但實(shí)際爐內(nèi)管壁降溫速率已經(jīng)大大超出技術(shù)措施的規(guī)定值。因此，機(jī)組停機(jī)后要嚴(yán)格按照規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行悶爐。

  6. 利用停機(jī)機(jī)會(huì)對(duì)高溫受熱面進(jìn)行檢查。定期對(duì)高溫受熱面彎頭部位拍片檢查，若發(fā)現(xiàn)彎頭處有氧化皮堆積，要及時(shí)割管清理或更換處理。

  7. 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前利用高、低壓旁路對(duì)受熱面進(jìn)行大流量沖掃。對(duì)于超臨界機(jī)組，維持分離器壓力7MPa，主蒸汽溫度350℃，低壓旁路閥全開(kāi)，用高壓旁路閥控制蒸汽流量。吹管過(guò)程中要注意高、低旁路出口蒸汽不超溫，且凝汽器不超壓，滿足以上條件下，盡量提高吹管系數(shù)。

四、結(jié)論

 該廠1號(hào)鍋爐自2012年1月發(fā)生爆管事故后，采取了上述控制措施，到目前為止已經(jīng)安全運(yùn)行3年多，沒(méi)有再發(fā)生過(guò)爆管事故，取得了較好的效果。雖然奧氏體不銹鋼管壁氧化皮的生成和剝落是不可避免的過(guò)程，但通過(guò)鍋爐燃燒調(diào)整等技術(shù)手段，避免受熱面超溫運(yùn)行，保持壁溫平穩(wěn)變化，減緩氧化皮的生成，實(shí)現(xiàn)氧化皮受控剝落，可以因避免氧化皮大量剝落造成的危害。