超临界直流锅炉氧化皮脱落原因及预防策略探讨

摘要：由于超临界直流锅炉在运行时经常会因高温受热而导致氧化皮的脱落，进而对锅炉设备的运行效率和设备质量产生严重影响。基于此，本文以超临界直流锅炉作为主要研究对象，通过对其概念与特点进行阐述和分析，在结合其氧化皮形成机理与脱落原因的基础上，对预防超临界直流锅炉氧化皮脱落的相关策略展开了研究。

关键词：超临界直流锅炉；氧化皮脱落；预防策略；氧化反应；高温受热面 文献标识码：A

中图分类号：TK229 文章编号：1009-2374（2016）32-0058-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.028

超临界直流锅炉内的高温受热面发生氧化作用而形成氧化层、氧化层脱落是十分普遍的现象，然而如果在超临界直流锅炉的使用过程中没有给予其足够的重视度，采取相应的有效处理措施，会导致超临界直流锅炉在长期的使用中，氧化层脱落越来越多，发生堵塞炉管，甚至爆管的现象，不仅会对超临界直流锅炉正常运行带来影响，还有可能造成人员伤亡等严重的问题，因此围绕超临界直流锅炉氧化皮脱落原因及预防策略为中心展开细致的分析探讨是有着重要意义的，以下是具体内容。

1 超临界直流锅炉的定义

锅炉内工质压力处在临界点之上时的锅炉即超临界直流锅炉。一般情况下锅炉内工质都为水，22.115MPa、374.15℃是水的临界压力和临界温度，处在这个状态下的水和蒸汽其转化为汽化的潜热为零，锅炉内工质压力在22.115MPa之下即亚临界锅炉，锅炉内工质压力在26MPa上即超临界直流锅炉。

2 超临界直流锅炉氧化层的形成机理

超临界直流锅炉运行时炉内的温度达到550℃～570℃，而这一温度正好处在水蒸气氧化能力极强的区间之内，在处于这个温度时水蒸气对于金属物质的受热面氧化能力比空气的氧化能力要强十几倍，因此很容易在超临界直流锅炉的内壁上发生氧化作用，从而形成氧化层。

在超临界直流锅炉内，高温水蒸气和内壁金属物质在550℃～570℃下会发生强烈的氧化作用，其内壁金属物质生成氧化物的主要化学反应过程为：首先发生3Fe3+4H2O=Fe3O4+4H2反应，同时在超临界直流锅炉内高温水蒸汽和金属铁之间，还可能存在Fe+2H2O=FeO2+2H2、O2+2H2=2H2O、Fe（Fe2+）+O2（O2-）=FeO三种化学反应的平衡，致使超临界直流锅炉内壁的金属铁不断被氧化为氧化铁变成氧化层。

在超临界直流锅炉的内高温再热器和高温过热器管内有高温蒸汽通过时，金属Fe就会和高温水蒸汽发生化学反应，一开始形成Fe3O4，Fe3O4会形成一层氧化膜，同时这层氧化膜还是富有韧性和致密的，在这层膜形成之后，锅炉内壁的铁被氧化的速度就减慢。随着氧化反应时间的不断加长，这层氧化就会变成由多层的Fe3O4、Fe2O3和FeO组成，而当水蒸汽温度在565℃之下时氧化膜多为Fe3O4和Fe2O3；当水蒸气温度在565℃以上时氧化膜多为FeO。

3 超临界直流锅炉氧化皮的脱落原因

随着超临界直流锅炉内壁氧化膜的厚度不断增加，氧化膜会因为其膨胀系数的变化而发生脱落现象。随着锅炉的内部高温环境运行的继续，锅炉内壁的氧化作用会不断发生，再加上温度和水分的影响，会导致锅炉内壁的金属氧化层大面积的脱落，还可能会导致炉管的堵塞，造成爆管的发生。细致分析超临界直流锅炉氧化层脱落，可以得出以下原因：

3.1 炉管材质的性能差异

目前大多数的超临界直流锅炉的炉管都以合金为主，合金中Cr的含量多少决定了炉管材料的不同，进而决定其抗氧化性和耐热性的性能不同，在使用超临界直流锅炉时通常需要根据实际使用的环境，选用最合适的Cr含量的炉管，来避免炉管的氧化过快。然而如果炉管的使用环境和Cr含量之间并没有合理的匹配，就会导致在锅炉运行的过程中发生氧化速度极快的现象，进而氧化层的生产加速，导致行程的氧化层的快速脱落。

3.2 管壁温度过高

很多超临界直流锅炉的内壁已经有了很厚氧化层，但仍然在继续使用，这会导致氧化层很厚处的炉壁实际厚度增加，进而导致炉管的局部温度升高，又促使氧化反应加速，氧化层厚度继续增加，这样的恶性循环会致使氧化层厚度达到一定程度之后发生大面积的脱落。

3.3 机组启停的热应力

在超临界直流锅炉的正常启动和停止中都需要大量的热负荷，来实现水循环流量达到锅炉启停所需的流量，而在启停时高热负荷作用的影响下，超锅炉管会出现短时间的干烧状态，而干烧状态下的氧化层就极易脱落。一般情况下在锅炉的启停时都会采取相应的降温措施，保持锅炉管的温度稳定，然而这个措施又会产生大量的热应力，热应力又会加速氧化反应，进而加速氧化层的脱落。根据目前的技术研究，锅炉的氧化层脱落，很大一部分是由热应力作用形成的。另外，若锅炉停止运行，锅炉内的温度迅速降低，会使得锅炉内的负荷量瞬间降低，这会和锅炉机组在运行时的热负荷量产生巨大的落差，也可形成热应力，进而致使超临界直流锅炉管的氧化反应加速和脱落加速。

4 超临界直流锅炉氧化皮脱落的预防措施

4.1 对材质的科学设计与选择

超临界直流锅炉发生氧化反应和氧化层脱落与超临界直流锅炉的自身材料有着极其重要的联系，因此在对超临界直流锅炉的材料选择和设计时，必须做到科学合理，目前高晶粒度等级的钢材是较好的锅炉材料选择。现阶段，国内的锅炉制造材料多采用国内生产的钢材，然而目前国内生产的钢材在其晶粒度上和国外先进钢材的晶粒度还存在着一定的差距，所以在锅炉钢材选择要尽量选择晶粒度等级高的钢材。另外，除了晶粒度等级之外，锅炉制作材料的抗高温性和抗氧性也是非常重要的影响因素。因此超临界直流锅炉制造企业在对锅炉钢材的选择时，要积极引进国外的先进技术，提升我国钢料的晶粒度等级和抗高温性、抗氧化性。在超临界直流锅炉制造中必须严格把握质量关，提高制造工艺，避免焊接缝、厚度不均匀的问题。总之，在超临界直流锅炉的制作过程中必须对制造钢材的选择和设计严格控制，减少锅炉的氧化层形成和脱落，保障超临界直流锅炉的正常、安全运行。

4.2 安装工艺的改善与焊接条件的控制

要保障超临界直流锅炉氧化层形成以及氧化层脱落问题的有效控制，在超临界直流锅炉的安装过程中就需要实现严格规范。首先，对于安装工人的专业技能、安装技术要有明确的要求，尤其是过热器、再热器等容易出现偏差的地方更要安装得特别精准；其次，在安装之前要再次确定锅炉炉体质量的过关，确定炉管内没有异物，确定安装环境的适合，在安装完成之后为了保障稳定性还需要对疏水管、炉管等重点设备进行检查；最后，在超临界直流锅炉焊接时要保障焊接质量，避免不同类型的钢材进行焊接，受到目前焊接技术和工艺的影响对异种钢进行焊接很难实现焊接质量保障，易出现受热不均等问题，导致锅炉氧化层的形成和脱落。

4.3 加强超临界直流锅炉的管理

加强运行环节超临界直流锅炉的管理也是有效减少锅炉氧化层形成和脱落的有效途径之一。首先，在锅炉的运行过程中要加强对锅炉的管理，一般情况下在氧化层形成之后并不会马上对锅炉运行产生影响，需要其脱落累积一定的量后才会有明显的影响，因此加强锅炉的日常管理，及时发现氧化层的形成和脱落现象，究其原因并解决，可有效地降低可能出现的问题；其次，加强对超临界直流锅炉的汽水质量检查监督。按照规定在超临界直流锅炉运行之前都会对锅炉使用除盐水，需要水质合格才能使用，因此加强这方面的监督，保证其严格的执行，有效地实现锅炉的管理；最后，可以对现有的超临界直流锅炉的运行模式进行优化。定期对锅炉采取吹灰工作，保持锅炉的清洁，避免局部过热而产生氧化层形成和脱落问题。另外对锅炉运行中的煤水比也必须做到合理、科学，最大程度地减少减温水的使用，保障超临界直流锅炉的稳定运行。同时对超临界直流锅炉机组的使用投入量要尽可能的达到100%，提高超临界直流锅炉的运行经济效益。

5 结语

综上所述，超临界直流锅炉在运行过程中多处于550℃～570℃的高温环境之下，再加之超临界直流锅炉启停导致的频繁热负荷变化而产生的热应力，锅炉的炉管内壁会发生氧化反应，其形成的氧化层也会脱落，对锅炉的运行稳定和安全有着严重的影响，因此需要从材质的科学设计与选择、安装工艺的改善与焊接条件的控制和加强超临界直流锅炉的管理等方面，对超临界直流锅炉的炉管内壁氧化层的形成和脱落实现有效的控制，进而提升超临界直流锅炉运行的安全性和稳定性。

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作者简介：蔡小纬（1982-），男，陕西渭南人，神华神东电力陕西富平热电有限公司发电运行部值长。

（责任编辑：王 波）