锅炉蒸汽侧氧化层剥落的治理

华东电力

2003年第12期

锅炉蒸汽侧氧化层剥落的治理

郑世津

(江苏省电力科学研究院,江苏　南京　210036)

摘　要:研究分析锅炉蒸汽侧氧化层的产生和来源、氧化层剥落以及剥落的氧化皮在管内形成堵塞的机理。探讨对氧化层剥落监测检查手段、治理方法,从运行和材料方面控制氧化层形成的对策和解决方法。关键词:锅炉;氧化层;剥落

中图分类号:TK22　　文献标识码:B　　文章编号:1001-9529(2003)12-0066-03

　　随着发电机组参数的提高,电站锅炉受热面上使用的金属材料也日益复杂。锅炉受热面蒸汽侧氧化皮剥落造成的经济损失是巨大的。国外的一些电力研究机构从上世纪70年代开始,就已经关注和开展这方面的研究工作,其研究成果对发电厂的氧化皮剥落问题提供了指导性原则。开展这方面研究工作显得越来越必要。

附近炉管胀粗显著,爆口边缘减薄明显。(2)爆管发生有特定时段,大多数爆管均发生在机组启动后的不长时间内,从十几h到四十几h。

(3)在爆漏管的流通回路中,特别是在弯头、焊缝、变径管等位置发生金属氧化皮等杂物堆积。

2　蒸汽侧氧化层的形成

锅炉过热器管在轧制过程中会在内壁生成氧化皮。锅炉运行中当蒸汽中氧气的分压力足够时,在钢表面也会生成氧化皮,这是金属在高温水汽中发生氧化的结果。根据不同的温度、pH值和氧气分压力,所形成的氧化产物有FeO、Fe2O3和Fe3O43种。实际运行中,氧化皮往往由多种氧化物组成。Fe3O4是炉管内壁氧化层的主要成分,Fe2O3主要在氧浓度较高的环境下生成,因此主要存在于氧化皮的外表面。

(1)金属氧化皮结构

铁素体材料氧化物的生长往往由多层组成,内层主要是等轴的铁、铬和氧的晶石;外层氧化皮主要成分是柱状粗糙Fe3O4颗粒,在管壁最外层往往有一层细粒Fe2O3,内外层的分界线是原有的管壁。氧化皮按上述双层结构发展,形成多层结构。未来的氧化皮的剥落就会在两个双层结构的中间发生。

奥氏体不锈钢的氧化皮在结构、形貌和厚度上和铁素体钢生成的氧化皮均有所不同。奥氏体材料由于本身铬含量较高,因此在相同的使用温度下,其氧化速度远低于铁素体。奥氏体氧化皮往往仅由内外两层组成,内层的晶石结构往往在形状上不规则,外层Fe3O4中存在许多气孔。

(2)温度对氧化皮形成的作用

1　蒸汽侧氧化层破裂剥落问题

锅炉高温段炉管广泛使用的铁素体和奥氏体管材,这些管材在高温下运行与蒸汽作用会在炉管内壁生成一层氧化层,可以阻碍铁和水或蒸汽间的进一步反应,可以防止管内介质中的某些成分对金属的腐蚀。但是,在一定条件下,这些氧化层会与母材脱离,大量的氧化层剥落对机组运行的安全是极大危害。

1.1　氧化层及其剥落造成的危害

过热器或再热器中剥落的氧化皮会在垂直管屏的U形弯头底部沉积,阻碍蒸汽流动,引起炉管泄漏。剥落的氧化皮会带入汽机,引起叶片、喷嘴和调门损伤。蒸汽侧结垢还会引起受热面管金属壁温上升,影响管材使用寿命。有关计算表明,每增加0.025mm氧化物,对再热器管壁温度约增加0.28℃;对过热器管壁温度约增加1.67℃。氧化层的剥落还会影响水汽品质,增加其中铁含量。

1.2　氧化层剥落造成锅炉爆管的主要特点

蒸汽侧氧化层剥落堵塞炉管而造成爆管主要有以下特点:

(1)从爆口的特性和金属材料分析结果看,爆漏都是由于超温引起,多数爆管有典型的短期超温特征。爆口通常为“鱼嘴”状,开口较大,爆口

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氧化皮厚度和材料特性、运行时间和运行温度有密切的关系。运行时间和氧化皮的厚度基本呈线性关系。温度对氧化皮厚度的影响呈加速上升的趋势,当金属材料在接近和达到其许用温度区域时,影响极为显著。

堵塞物前后压差不足以破坏该堵塞桥架时,堵塞管就会发生壁温异常升高,导致换热管短期超温爆管。形成堵塞的最关键参数是氧化皮尺寸和管内径的比例。氧化皮在流量作用下发生破碎的几率则与氧化皮自身厚度有关,厚度越大,承受蒸汽流动冲击而不破碎的能力越强。

3　影响蒸汽侧氧化层破裂和剥落的主要因素

3.1　金属氧化皮剥落的规律

在温度变化时,金属材料和氧化层都会发生相应的应变,氧化层本身以及母材间的膨胀系数不同,随着应变的增长,氧化层和管壁间的应力和能量也随之增加。当氧化皮应变所积蓄的能量大于该氧化皮脱层而产生新的内表面所需的能量时,就会发生剥落。对电站锅炉而言,氧化皮产生应变的原因主要有:

(1)当管材和氧化皮从原来的恒定温度降低到新的恒定温度,母材和氧化层的热收缩性能不一,造成温降应变。

(2)热负荷突然变化,热冲击(如启动过程中的再热器管、吹灰器吹扫的管排)。

(3)系统施加的其它外力。

(4)氧化层生长中各层之间的应力,以及Fe2O3向Fe3O4转变过程中产生的应力。

(5)弯管和焊口等位置的附加应力。

在上述各种因素中,温度应变的作用是最主要的。正因为这样,锅炉受热面内壁氧化层剥落情况主要发生在机组停炉过程中。除了温降幅度外,不同温降速率对氧化皮破裂剥落和氧化皮产生裂缝大小都有影响。

3.2　氧化皮在管内的堵塞

蒸汽侧剥落的氧化皮在管内滞留堵塞,主要有以下决定因素:管内的水动力特性,氧化皮大小和形状、强度和韧性,管子内径和外形,管内收缩和不完整过渡的存在,蒸汽流速、流程的几何特性,摩擦系数和落氧化皮的总量。其中最重要的因素是氧化皮当量尺寸和受热面管内径比值。启动初期,脱落的氧化皮在小流量流场中脉动,直到它们找到一个水动力上稳定的位置。首先为尺寸大、强度高的氧化皮在管内堵塞,形成桥架,其它小尺寸的氧化皮积聚在桥架上,一旦稳定后,随着低流量下氧化皮的增加,产生折叠和积聚,此后的大流量也很难对其产生扰动并带走。当

4　治理对策

防止氧化皮剥离最重要的措施是正确选材、保持不超温的运行条件和尽可能减缓机组温度变化的速率。对于存在氧化皮剥落和堵塞的锅炉,可

通过以下的经验进行改善。

(1)加强监视手段和无损检测

由于氧化层的剥落问题发生位置和时间往往难以预测,且没有显著前兆。锅炉高温受热面的壁温测点是监测受热面工况的一种重要手段。发生氧化皮堵塞的炉管往往很快反映出炉外管壁温度的升高,可以在氧化层完全堵塞流通支管前及时发现问题,停炉检查。同时,在爆管发生前及时检查也可以为分析问题提供充分的依据。因此,对于氧化层剥落和堵管问题较严重的锅炉,可以增加一部分炉外管壁温度测点,加强监视。

通过射线检查的手段可以确认在垂直管屏底部弯头部位氧化层碎片的堆积,测量炉管外径胀粗判断是否存在超温情况。

(2)化学清洗

化学清洗是彻底清除管内壁氧化层的有效方法。相对于水冷壁而言,过热器、再热器系统酸洗不是很常见,主要原因是系统设置要求高,金属材质多变,垂直管屏的清洗排尽要求高,系统操作复杂,对清洗时间、温度、冲洗速度等参数控制很重要。特别是酸洗液的组份构成。防止因为酸洗发生悬挂管排的底部堆积,不锈钢晶间腐蚀等问题。

尽管要求较高,但过热器、再热器系统酸洗也有很多实实在在的好处,因此在国外电站锅炉上运用也较多。对过热器/再热器系统的酸洗无强制性规定或导则,一般电厂通过酸洗达到以下两个目的:减少氧化皮剥落引起爆管和汽轮机损伤;在金属内壁氧化皮过厚时清洗,降低管材壁温,延长使用寿命。

酸洗位置和酸洗溶剂选择以及工艺要求取决于剥落氧化皮的特性和型式,母材,割管实验室分析清洗结果。

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一种基于MIS数据的开环试验建模方法

姜　胜,肖大雏

(武汉大学动力与机械学院,湖北　武汉　430072)

摘　要:提出了一种新的针对电厂热工对象的试验建模方法。这种基于MIS数据的试验建模方法是经济的,仿真试验结果也表明,该方法是行之有效的。关键词:建模;热工对象;MIS;开环试验

中图分类号:TK323　　文献标识码:B　　文章编号:1001-9529(2003)12-0068-03

　　控制系统投入品质的优劣,在很大程度上取决于对被控对象动态特性的了解程度,只有准确掌握了被控对象的动态特性,才能确定最优的控制策略以及对应控制器的最佳整定参数。

通常被控对象的动态模型可以通过理论建模或试验建模获取,但由于电厂热控对象数学模型相当复杂,理论建模极为困难,故工程上实际主要依靠开环试验建模。建模过程就其本质而言,可以分为三个部分,即(1)获取可靠的有效试验建模数据及验证数据。(2)根据建模数据和建模要求确定所建模型的类型和结构(包括模型的形式及对应的阶数阵),并最终根据建模数据按照一定的算法估计所选定模型对应的待定系数阵。(3)验证所建立模型的可靠性和适用条件或范围,看是否满足要求。其过程如图1所示。

具体试验数据的获取可通过两个途径:(1)自行设计数据采集前端,通过传感器、变送器和信号采集卡直接获得所需数据。(2)从MIS或SIS系　　(3)机械清理

对于弯管部位聚集的氧化层,常规的清理方法主要是无损检测后割管清理。这种方法焊接工作量大,且检修时间长。由于弯头部位一般有积水滞留,管壁潮湿,清理过程中剥落的氧化皮还很容易再次粘结在管壁上,启动后再次堵塞。

针对氧化层剥落堵塞炉管发生频繁、范围较大的锅炉,国外某些电厂尝试采用不割管压缩空气吹扫的方法,取得了良好效果。锅炉停用后,从下降管底部引入干燥、无油的压缩空气,流经汽包后面的主蒸汽回路,从末级过热器出口集箱端部检查孔引出。干燥的压缩空气可以均匀、快速地使锅炉得到冷却,同时疏通垂直管屏中的积水,干燥

图1　建模过程示意图

统的数据库调用所需数据。若采用第一种方法,虽然数据本身基本上不需要处理就符合建模要求,但

涉及到硬件上实现的问题,需考虑昂贵的硬件成本和抗干扰措施;若采用第二种方法,虽然从MIS或SIS的数据库系统中调用的数据需要进行大量处理才有可能达到建模所需数据的要求,但这些是可受热面管内壁,使剥落的氧化皮不易粘结在管壁上,并随压缩空气带出炉外。对于堵塞较严重的管子,可以采用多次蓄压、快速释放过程,一般都能取得较好的效果。

(4)使用抗氧化性能更好的材料

氧化皮剥落的问题在铁素体和奥氏体材料上均有发生,各种材料在抗氧化和剥落上有所差别,材料中Cr含量的增加有助于提高金属抗氧化能力,减缓氧化皮剥落的发生,如高温受热面常用材料中T91抗氧化性能优于其它材料。

收稿日期:2003-06-17

作者简介:郑世津(1968-),男,高级工程师,从事电站锅炉可靠性和经济性研究。