高温氧化皮的问题探讨和防治

维普资讯 http://www.cqvip.com １２８　华北电力技术　ＮＯＲＴＨ　ＣＨＩＮＡ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　增刊２　２００７　高温氧化皮的问题探讨和防治　梁学斌，何　文，王树伟　（天津国华盘山发电有限责任公司，天津蓟县３０１９００）　摘　要：随着锅炉运行时间的延长，在锅炉过热器和高温再热器管道内部会逐渐生成氧化皮，氧化皮剥落会堵　塞管道引起局部过热，导致过热器、再热器爆管；同时剥落的氧化皮被带入汽轮机，引起固粒侵蚀导致损伤汽轮　机叶片，污染水汽品质。因此采取有效手段在运行中加强对锅炉受热面温度的控制，抑制氧化皮生成和剥落，以　及在检修中消除氧化皮的影响，对机组安全运行至关重要。　关键词：氧化皮；温度；剥落　中图分类号：ＴＫ２２３．３　２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００３—９１７１（２００７）增刊２－０１２８—０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　Ｓｋｉｎ　Ｌｉａｎｇ　Ｘｕｅ—ｂｉｎ，Ｈｅ　Ｗｅｎ，Ｗａｎｇ　Ｓｈｕ—ｗｅｉ　（Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｇｕｏｈｕａ　Ｐａｎｓｈａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｊｉｘｉａｎ　３０１９００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｂｏｉｌｅｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ，ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｓｋｉｎ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｆｏｕｎｄ　ｂｏｔｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ　ｈｅａｔｅｒ　ｏｆ　ｂｏｉｌｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ——ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｅ—ｈｅａｔｅｒｓ．Ｉｆ　ｔｈｅ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｓｋｉｎ　ｆｌａｋｅｓ　ｏｆｆ，ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｂｌｏｃｋｅｄ．ａｎｄ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｏｖｅｒ——ｈｅａｔｅｄ，ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｏｆ　ｓｕｐｅｒ　ｈｅａｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｒｅ—ｈｅａｔｅｒｓ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｂｕｒｓｔ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ．ｉｆ　ｔｈｅ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｓｋｉｎ　ｇｅｔｓ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔｅａｍ　ｔｕｒｂｉｎｅ，ｔｈｅ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ　ｍｉｇｈｔ　ｂｅ　ｄａｍａｇｅｄ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｓｏｌｉｄ　ｅｒｏｓｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｖａｐｏｒ　ｃａｎ　ｂｅ　ｐｏｌｌｕｔｅｄ．Ｔｈｕｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓａｆｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｉｔｓ　ｔｏ　ｔａｋｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｂｏｉｌｅｒ　ｂｅ—ｈｅａｔｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｏ　ｉｎｈｉｂｉｔ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｏｆ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｓｋｉｎ，ａｎｄ　ｔｏ　ｒｅｍｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｓｋｉｎ　ｉｎ　ｒｅｐａｒａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｓｋｉｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｆｌａｋｉｎｇ　ｏｆｆ　０　机组概况　是１２Ｃｒ１８Ｎｉ１２Ｔｉ，主再热蒸汽管道材质　１５Ｃｒ１ＭｏＶ。　天津国华盘山发电有限责任公司（下称盘电）１、　２号锅炉是俄罗斯波道尔斯克奥尔忠尼启泽机器制　ｌ　氧化皮生成情况　造厂制造的ｆｉｎ一１６５０—２５—５４５ＫＴ（Ｈ一７６）型直流超临　盘电两台机组过热器和再热器，由于在运行　界参数锅炉，与列宁格勒金属制造厂的Ｋ一５００—２４０—４　中无明显的超温现象，所以运行至今未发生过爆　型汽轮机配套，炉体为单炉膛，炉膛横断面尺寸为２３　管现象。１、２号锅炉分别于２００２年和２００３年大　×１３．８　ｍ。炉整体受热面布置为“Ｔ”型结构，额定蒸　修，在机组大修中对锅炉的过热器和高温再热器　发量为１　６５０　ｔ／ｈ，锅炉为平衡通风悬浮式燃烧固态　割管检查，发现高温过热器管和高温再热器管在　排渣炉。过热器出口压力为２３．５４　ＭＰａ，过热器出口　运行几年后，内壁有一层呈灰黑色的致密、光洁的　温度为５４５℃，再热器出口温度为５４５Ｃ，给水温度　氧化皮；高中压自动主汽门、调速汽门解体检修　为２６７　Ｃ，锅炉设计效率为９１．９６　，分别于１９９５年　中，发现汽门的阀座、阀芯和阀杆有一层致密的氧　１２月和１９９６年４月投产。　化皮。而且主汽调速汽门、主汽门、主蒸汽管路、再　机组的给水处理方式在１９９８年前２号机组采　热汽管路内发现氧化皮起皮现象；２００２年１号机　用ＡＶＴ，从１９９８年开始至今一直采用ＣＷＴ。在　组大修检查发现中压转子１～１Ｏ级围带凹槽、低　１９９９年以前１号机组采用ＡＶＴ，从１９９８年开始至　压转子１～３级外围带内环处有氧化铁粉末；２００６　今一直采用ＣＷＴ。锅炉高温过热器和再热器管材　年１号机组ｃ级检修中在主蒸汽管道疏水门滤网　维普资讯 http://www.cqvip.com 增刊２　２００７　华北电力技术　ＮＯＲＴＨ　ＣＨＩＮＡ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　１２９　检查到氧化皮。ＲＴ８３７—２阀门经解体检查发现，　门芯内有较多的片状磁性氧化铁，经溶解分析换　算成四氧化三铁含量为８３　（见图１）。　图１盘电１号机主蒸汽管道疏水阀门内的氧化皮　２　氧化皮剥皮原因和氧化皮生成机理　（１）高温氧化皮剥落现象。工作汽温在４５０℃以　上的蒸汽管道，其内壁会生成坚硬的Ｆｅ。Ｏ　垢层。随　着运行时间的增加，垢层变厚。当垢层增厚到一定程　度，遇到工况变化快，温度改变剧烈时，这些垢层就　容易从管壁剥离。垢层剥离后的管壁会重新开始新　的氧化垢生成、长厚过程。含Ｃｒ合金钢管材所生成　的这种氧化铁垢，会有厚度几乎相等的内外二层。外　层是完全不含Ｃｒ的ｆ＇￣ｆｅ。Ｏ　（含少量ａ态）层；内层是　含Ｃｒ高于基体的富铬层。温度是氧化皮生成的一个　关键因素。如工作温度在４８０ｌＣ～５４５℃的高温过热　器或高温再热器，其同一根Ｕ型管的出口端的氧化　皮要比进口端严重得多。　高温氧化剥皮还发生在过热蒸汽和再热蒸汽的　主管道、汽轮机的高压缸和中压缸的前二级叶片。图　２为某电厂高温再热器管道剥落的氧化皮照片图。　图２某电厂高温再热器管道剥落的氧化皮　（２）氧化皮形成机理。由于铁的氧化物种类　繁多，并且在不同的条件下生成不同的氧化物，关　于受热面高温氧化皮的成因和剥落机理主要是以　下几方面的原因：金属的氧化是通过氧离子的扩　散来进行的。假如生成的氧化膜是牢固的，在生成　氧化膜后，氧化过程就会减弱，金属就得到了保　护。假如生成的氧化膜不牢固，那么生成的氧化膜　不断剥落，氧化过程就会继续下去；受热面氧化现　象首先是铁元素的氧化。在５７０℃以下，生成的氧　化膜是由Ｆｅ２Ｏ　３和Ｆｅ　３Ｏ４组成，Ｆｅ２Ｏ　３和Ｆｅ　３Ｏ４都　比较致密（尤其是Ｆｅ。Ｏ　），因而可以保护钢材以免　其进一步氧化。当超过５７０℃时，氧化膜由Ｆｅ　Ｏ。、　Ｆｅ。Ｏ　、ＦｅＯ三层组成（ＦｅＯ在最内层），其厚度比　约为１：１０：１Ｏ０，即氧化皮主要是由ＦｅＯ组成，　ＦｅＯ是不致密的，因此破坏了整个氧化膜的稳定　性，这样氧化过程得以继续下去。　铁与水蒸汽直接发生化学反应，生成Ｆｅ。Ｏ　：　３００　３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ＝Ｆｅ　３Ｏ　＋４Ｈ２十　如前所述，所生成的Ｆｅ　Ｏ。和Ｆｅ。Ｏ　本来应该　是较致密的，对管壁可以起保护作用。事实上，当　温度超过４５０℃时，由于热应力等因素的作用，生　成的Ｆｅ。Ｏ　不能形成致密的保护膜，使水蒸汽和　铁不断发生反应。当汽水温度超过５７０　Ｃ时，反应　生成物为ＦｅＯ，反应速度更快。　锅炉高温过热器、高温再热器使用的钢材是　１２Ｃｒｌ８Ｎｉｌ２Ｔｉ，但是在实际运行中，长时间的处于　高温工作状态，而且管壁短时间的超温现象是普遍　存在的。在长期高温和短期超温工况下，金属的抗氧　化能力大大降低，有利于内壁氧化皮的形成和发展。　氧化皮剥离有两个主要条件：一是垢层达到　一定厚度。二是温度变化幅度大、速度快、频度大。　有关手册所列的过热器再热器管材钢的热胀系数　一般在１６×１０　～２０×１０　／。Ｃ，而Ｆｅ　３Ｏ４和ＦｅＯ　・ＣｒＯ。则分别为９．１×１０　／。Ｃ和５．６Ｎ１０　／℃。　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，尤其是发生反复的或剧烈的变化　时，氧化皮即很容易从金属本体剥离。　管内氧化皮生成和剥落速度与温度、时间、氧气　含量、蒸汽压力、流速、钢材成份、氧化皮成份等因素　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，管内氧化皮生成和剥落速度愈快。　３氧化皮剥落的危害　氧化皮剥落的危害。锅炉的高温过热器和再热　器多为立式布置。每级过热器由数百根竖立的Ｕ形　管并列组成。内壁氧化皮的存在，不仅导致受热面金　属壁温升高，从Ｕ形管垂直管段剥离下来的氧化皮　垢层，一部分被高速流动的蒸汽带出过热器，另有一　维普资讯 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１３０　华北电力技术　ＮＯＲＴＨ　ＣＨＩＮＡ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　增刊２　２００７　些会落到Ｕ形管底部弯头处。由于底部弯头处氧化　皮剥离物的堆积，使得管内通流截面减小，流动阻力　增加。这导致了管内的蒸汽通过量减少，使管壁金属　温度升高。当堆积物数量较多时，管壁大幅超温，引　起爆管；从高温过热器和再热器管剥离的氧化皮，很　降温速率。锅炉启停中受热面温度变化按照规程　规定的参数升降，抑制氧化皮的剥落。特别是机组　启动和事故状态下，由于再热器存在蒸汽中断的　情况，此时要对再热器系统进行保护，通过旁路系　统向再热器供汽，减少再热器干烧的时间。　大一部份会被有着极高流速的蒸汽携带出过热器和　再热器。至调门以后、或再经喷嘴后，获得更大的速　（３）措施３：机组启动暖管过程中要保证暖管的　压力和蒸汽流量，适当延长暖管时问，目的是对过热　度，这些被携带的氧化皮剥离物颗粒具有极大的动　能，它们源源不断地撞击汽轮机叶片，使得汽轮机高　压缸和中压缸的前几级叶片受到很大的损伤。损伤　严重时，前二级叶片会变小、缺损，降低机组出力；被　高速蒸汽带出过热器和再热器的氧化皮剥离物颗　粒，在汽轮机内完成对叶片的撞击和冲蚀以后，颗粒　本身会破碎、变小、变细，并增加了一些叶片本身被　冲蚀的产物，进入凝结水系统。这些细小氧化铁颗粒　进入系统后会在锅炉水冷壁管、靠近省煤器端的高　加水侧加热管沉积，导致水汽系统二次污染。　４高温氧化皮的防治措施应用和效果　４．１检查措施　（１）措施１：对高温过热器和再热器，在每次　机组大修和有条件的小修时割管，测取垢量，分析　氧化皮的严重程度和生成趋势。　（２）措施２：在检修时，对高温过热器、高温再　热器底部弯头拍片检查，及时发现有沉积物的弯　头，进行更换，可以较有效地避免运行后爆管。　（３）措施３：机组检修中加强对高中压主汽　门、调速汽门阀座、阀芯密封面、阀杆和阀杆套检　查，发现有氧化皮生成时及时清理，防止氧化皮层　过厚导致汽门关闭不严或吹损，阀杆因氧化皮的　存在阀门关闭时卡涩，引起汽轮机超速事故。　（４）措施４：机组检修时及时清理凝结器磁　栅，消除氧化皮剥皮的细小颗粒可能导致在锅炉　水冷壁管、靠近省煤器端的高加水侧加热管沉积　引起的水汽系统二次污染。　（５）措施５：机组运行中对精处理前置阳床按　照合理的周期进行反洗，避免反洗周期过长造成　铁穿透，引起铁氧化物对汽水系统的二次污染。　４．２运行措施　（１）措施１：温度和介质压力越高，氧化皮的　生成速度越快，在运行中，注意锅炉燃烧调整防止　受热面超温超压，可以有效地遏制氧化皮形成。　（２）措施２：氧化皮剥落和温度变化有直接的　关系，因此控制机组启停次数、频度，减缓升温和　器、再热器、主再热蒸汽管道进行有效的吹扫。　（４）措施４：做好停炉保护。选用恰当的停运　保养方法，如热炉放水，受热面负压抽干等，它可　以有效地减轻过热器管下部弯头的停运腐蚀。　４．３盘电遏制氧化皮细小颗粒的一种实用方法　盘电两台机组系统设置有单元除盐装置，为　了减轻精处理装置的运行压力，在２００４年１０月对　２号机组凝汽器汽室安装了磁栅，２００５年３月２号　机组Ｃ级检修对磁栅上吸附的氧化铁粉末称重，　磁性氧化铁质量约为１５．７　ｋｇ（见图３），在凝结器　北汽室还清扫出５　ｋｇ。针对此种情况，在２００５年３　月对１号机组凝汽器汽室安装了磁栅，２００６年２　月１号机组凝汽器汽室检查磁栅上吸附较多的氧　化铁，称重为３８．５　ｋｇ。　图３　２００５年磁栅检查情况（吸附的氧化皮粉末较多）　盘电通过在汽机凝结器热井隔栅和各疏水扩　容器至凝结器的排水口加装了２１６根磁棒，利用　磁棒在水汽循环中吸附金属氧化物，减少氧化皮　剥皮的细小颗粒在锅炉水冷壁管、靠近省煤器端　的高加水侧加热管沉积。有效地遏制了氧化皮剥　皮引起的水汽系统二次污染。　在２００２年机组Ａ级检修时，对锅炉受热面、　主蒸汽管道、再热蒸汽管道、高中压汽门等处氧化　皮厚度和剥落的检查情况和２００７年机组Ａ级检　修检查情况（见图４）对比，从过热器和再热器管样　看出管内壁表层为钢灰色膜状，较完整，无氧化膜　脱落，用酸洗后（氢氟酸）管壁为黑色膜状，与２００２　年大修比较内壁氧化皮状况相同，无发展趋势，主　（下转第１６８页）　维普资讯 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１６８　华北电力技术　ＮＯＲＴＨ　ＣＨＩＮＡ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　增刊２　２００７　随后将铁心上部高低压侧１６条撑板螺栓钢　存在内部故障，如果两到三个月后各种气体含量仍　质平垫全部更换为铜质平垫；将铁心下部高低压　没有停止增长，那么说明变压器内部仍存在故障，所　侧４８条撑板螺栓钢质平垫更换为铜质平垫，并将　以１号主变Ｃ相还需长时间、密切监测运行。　撑板与平垫接触部位进行脱漆处理；将底部４条　定位钉螺栓全部拆开，并脱漆处理。　４对生产厂家的建议　２００７年５月１号主变投入运行，运行情况较　生产厂家在制造中，对铁心框架结构采用导　好，表２为投入运行后，主变离线色谱分析数据。　电性能较好的铜质螺栓和平垫，并考虑撑板和腹　表２　１号主变投运后离线色谱数据　Ｌ／Ｌ　板等导磁回路不进行刷漆，避免过热故障的发生。　取样日期总烃氢甲烷乙烯乙烷乙炔一氧化碳二氧化碳　另外如在撑板和腹板螺栓孑Ｌ中加绝缘圈和绝缘平　０７一Ｏ５一ｌ７　３．１　２．５　垫，使撑板、腹板与铁心彻底绝缘，既保证了支撑　０７一Ｏ５—２Ｏ　３．２　２．８　０７一Ｏ５—２６　４．２　３．ｏ　和固定作用，也可以避免过热故障的发生。　０７—０６一Ｏ８　４．９　３．５　０７一Ｏ６一ｌ５　５．５　４．４　５　结论　０７—０６—２９　５．３　４．５　６　大型变压器是电力系统中重要的配电设备，　—起着举足轻重的作用，而故障的准确分析和判断，　喜　＼３　可以为故障处理提供有力的依据。本文对盘电１　ｚ　号主变Ｃ相总烃超标的原因和处理过程进行了分　如１　０　析，并对变压器的生产和设计提出了建议，希望能　０５—１７　０５—２０　０５—２６　０６－８　０６—１５　０６—２９　够对大型变压器的故障分析和处理有所帮助。　图７投运后２００７年油中各种气体增长趋势　参考文献　从上面１号主变投入运行后的各种气体含量的　增长趋势图可以看出各气体含量呈缓慢增长趋势，　Ｅ１］ＧＢ　７２５２—８７，变压器油中溶解气体分析和判断导则．　分析为检修中对变压器油进行了处理，主变投运后，　［２］丁玉剑，巫水萍．电力变压器过热故障及其综合诊断．　线圈和铁心温度升高，促使油中气体少量溢出，造成　收稿日期：２００７—０７—３１　作者简介：纪强（１９７１一），男，变配电点检技师，从事配电点检　各种气体含量的缓慢增长，此增长不能说明变压器　工作。　业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业ｊｋ业业业业业业ｊｋ业业业业业业业业业业业业业业业　（上接第１３０页）　杂，高温蒸汽受热管道在其工作条件下，水蒸汽对　金属的腐蚀始终在进行着。因此，受热面在高温高　压作用下，管内氧化皮形成和剥落是不可避免的。　而它的危害来自于腐蚀产物——氧化皮的剥离，　会引起过热器爆管、汽轮机叶片严重残损、水汽品　质劣化。受热面高温氧化皮问题应引起各火力发　电厂的重视，通过加强运行和检修的综合管理，可　以有效地减缓管内氧化皮形成和剥落的速度，减　轻对汽机部件的冲蚀。　图４　２００７年磁栅检查情况（吸附的氧化皮粉末较少）　参考文献　汽门、调速汽门和转子通流部分检查氧化皮厚度　没有增加和剥落现象。通过以上措施在盘电的实　Ｅ１］朱宝田．固体颗粒对汽轮机通流部分的冲蚀与防治对　施，可以实现有效遏制高温氧化皮的生成和剥落　策．中国电力，２００３，３６（５）．　现象。　［２］徐远鹏．受热面高温氧化皮成因分析．２００２．　收稿日期；２００７—０８—２７　５结束语　作者简介：梁学斌（１９７１一），男，生产技术部经理助理，助理工程　受热面高温氧化皮的形成和剥落机理较为复　师，本科，从事汽轮机运行专业。