600MW超临界机组锅炉氧化皮生成机理研究

王　宇

（神华国华孟津发电有限责任公司，河南 洛阳 471100）

600MW超临界机组锅炉氧化皮生成机理研究

王宇

（神华国华孟津发电有限责任公司，河南 洛阳 471100）

摘要：本文主要简述了600MW超临界机组锅炉的特点和锅炉氧化皮生成的机理，以及防护措施。

600MW超临界机组锅炉；氧化皮生成；危害；防护措施

火电机组的发展朝着高参数、大容量的方向迈进，近年来，600MW超临界机组在全国各地展开应用。超临界机组主蒸汽压力超过（大于）临界点压力（22.115MPa）的锅炉，具有很多优势，具有节约成本，环境污染小等特点。近年来，越来越多的火电机组爆炸事故发生，使得大容量机组安全稳定运行成为令人担忧的问题。超临界机组锅炉爆炸的主要原因是长时间使用后锅炉内形成很厚的氧化皮，大面积氧化皮脱落堵塞通道口，突然的升降温也会引发锅炉爆管事故。要想降低锅炉爆炸事故的发生概率，必须找准原因，杜绝安全隐患。

1. 600MW超临界机组锅炉简介及优势

1.1 600MW超临界机组锅炉

600MW超临界机组是一种大型燃煤火力发电机组。超临界是指液体的压力和温度超过一定的值（水的临界点是22.115MPa，374.15℃）时，流体会处于一种介乎于液态和气态的中间态，称为超临界态。随着温度的升高，水分子的动能增大，分子间距离逐渐变大；当达到临界温度时，分子之间的距离大于液体水分子之间距离的上限，在这瞬间水由液体变成了蒸汽，之后的加热继续，水蒸气温度升高，分子间距离继续加大，水蒸气体积膨大，比容也变大。600MW超临界机组锅炉即是主蒸汽压力超过（大于）临界点压力，输出功率为600MW的锅炉。

1.2 600MW超临界机组锅炉的优势

1.2.1 热效率高，节约燃料。超临界机组锅炉的热效率随主蒸汽压力、温度的升高而升高，超临界机组锅炉比亚临界机组热效率提高2%～3%。

1.2.2 污染排放量低。超临界机组锅炉的排放物中NOx和CO2的排放量相对其他机组较低，对环境污染较小。

2. 600MW超临界机组锅炉氧化皮生成

高温高压运行状态下的锅炉炉管内壁不断发生氧化，逐渐形成氧化皮。运行过程中，氧化皮厚度不断增加，达到一定程度时由于外力作用下发生脱落，脱落的氧化皮在管中形成堆积堵塞。

2.1 超临界机组锅炉氧化皮形成机理。高温下，水蒸气分解成H+和O2-，锅炉炉管内壁含有Fe2+、Fe3+、Cr3+。Cr3+离子具有较高的活性，与流通的高温高压蒸汽相遇，扩散到炉管内部，被氧化成Cr2O3，这层氧化膜保护了内层的进一步氧化。但是，随着时间越来越久，这层氧化膜失去功效，表层Cr2O3氧化膜出现裂纹，基体中的铁离子（Fe2+和Fe3+）向外扩散，也被氧化成氧化皮，形成内层Fe3O4，外层Fe2O3，的结构。当温度超过570℃，基体中的铁离子（Fe2+和Fe3+）继续向外扩散，蒸汽中的O2-向里扩散，进一步发生化学反应，最终形成由里到外FeO、Fe3O4、Fe2O3的3层氧化层，其中最主要的成分是FeO。由于FeO的物化性质特点，金属离子容易透过氧化层向外扩散，使得其抗氧化性能大大降低。当温度增高时，FeO会越来越厚，当氧化层达到一定厚度时，会发生破裂，氧化层与基体分离，造成基体进一步被氧化。

2.2 超临界机组锅炉氧化皮形成的影响因素

2.2.1 炉管材料。不同锅炉炉管内壁材料的抗氧化性能不同，抗氧化性能高的材料氧化速度慢；同一种材料在不同温度下的抗氧化性能不同。一般来说，温度越高，氧化速度越快。

2.2.2 氧化皮厚度标准。当氧化皮达到一定厚度时，氧化层与基体会分离，分离后会导致基体进一步被氧化。不同材料的氧化层与基体分离时的厚度不同，不锈钢为0.1mm，铬钼钢为0.2mm～0.5mm。

3.锅炉氧化皮生成的危害

3.1 影响锅炉正常运行。锅炉炉管内部的氧化皮会使主汽门卡涩，严重时导致主汽门无法关闭，影响机组的安全停运。疏松的氧化皮容易脱落碎屑，容易堵塞小管道、阀门等，给机组系统埋下安全隐患。

3.2 受热不均匀。形成氧化皮的锅炉内壁，当氧化皮达到一定厚度会与基体发生分离。发生分离的氧化皮部位局部受热超温。剥落的氧化皮部位一般在高温段受热面U型管底部弯头或出口管中部，有些会在节流孔部位。局部的高温受热，会造成爆管。

3.3 其他。疏松的氧化皮在流动的蒸汽流通时，一些氧化层碎屑随着气流流出炉管，固体颗粒碎屑会对汽轮机的叶片等造成损坏，并且污染水质。

4.防止锅炉氧化皮生成的措施

4.1 管材选择。锅炉炉管的抗氧化性能与炉管材料有关，当炉管内层形成致密的Cr2O3氧化膜时可以保护内层不被氧化。选择好的合金材料，Cr含量高达20%的合金材料会生成致密稳定的保护膜，增强炉管内壁的抗氧化性能。一般来说，TP347HFG、Super304H等合金钢中Cr的含量较高。

4.2 管材热处理。管材的热处理方式影响Cr的扩散速率，进而影响炉管氧化强度。晶粒加工细化的管材会加快Cr的扩散速率，加速Cr2O3保护膜的形成。对炉管内壁镀上一层Cr或用烙酸盐溶液在305℃条件下处理48小时，也会减缓氧化层的形成。

4.3 合理使用加氧工况。锅炉炉管内壁氧化与炉管内的水质有关。根据使用的水质的不同情况投入加氧工况。使用合理的方式在炉管内壁合金上形成致密稳定的双层氧化膜，控制内层合金的被氧化。

4.4 保证锅炉正常运行。严格控制受热面蒸汽和金属温度可以帮助机组的正常运行，延长锅炉的使用寿命。严禁火炉超温运行，超过规定温度时，锅炉承受不住长时间的高温高压，会加快锅炉内壁氧化，进而导致氧化层剥落，引起爆炸。对地区负荷峰谷差、负荷落差较大的调峰机组，要控制好磨煤机的启、停。

4.5 定期维护。每一种机器都有使用年限，在正常使用的年限里，定期维护，不能长时间不管不顾。锅炉启用或者停用时不能快速的降温或者升温，容易造成危险。

结语

600MW超临界机组锅炉在实际应用中有很多优点，但在强高温高压条件下运行会造成锅炉内壁发生氧化。过厚的氧化层会给机组带来危险，因此要采取适当措施，防止锅炉内壁过快氧化。加强监测，及时发现，及时处理，保证机组在正常状况下健康运行。

[1]黄伟，李友庆，熊蔚立，等. 600MW超临界锅炉高温过热器氧化皮脱落爆管原因分析及对策[J].电站系统工程，2008，29（4）：32-34.

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