1、 受熱面高溫氧化皮成因分析徐遠(yuǎn)鵬華能南通電廠（江蘇226003）摘要本文概略地分析了受熱面內(nèi)壁高溫氧化皮的形成和剝落機理，指出受熱面長期超溫和高壓介質(zhì)的作用是受熱面內(nèi)壁氧化皮形成的根本原因，受熱面內(nèi)壁氧化皮的剝落對汽輪機和高壓加熱器的安全運行構(gòu)成了較明顯的威脅。關(guān)鍵詞高溫氧化皮超溫高溫高壓剝落華能南通電廠#1、#2爐是美國BW公司制造的Carolina型亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)煤粉鍋爐，它采用單汽包、單爐膛、輕型敷管式爐墻、全懸吊結(jié)構(gòu)“n”型布置，額定蒸發(fā)量為1085.1T/H,過熱器出口壓力為17.84MPa,過熱器出口溫度為540.6C，再熱器出口溫度為539C，給水溫度為282，鍋

2、爐設(shè)計效率為93.7%,分別于89年9月和90年5月投產(chǎn)，至2002年7月已累計運行91900H和93000H。1.受熱面高溫氧化皮狀況及影響B(tài)W公司制造的鍋爐，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計上有許多獨特之處，加上投產(chǎn)以來我廠很注重運行和檢修管理，鍋爐的運行狀況較為理想。但在運行7萬小時以后，也逐步出現(xiàn)一些問題，一是汽機隔板和葉片上有不少沖蝕痕跡，尤其是調(diào)節(jié)級和高中壓缸第一級；二是打開高加人孔門后，時常發(fā)現(xiàn)高加內(nèi)積有不少氧化鐵屑雜質(zhì)，而高加內(nèi)并沒有明顯的腐蝕和結(jié)垢。我們分析認(rèn)為，這是由于蒸汽攜帶的雜質(zhì)造成的，而這種雜質(zhì)就是受熱面內(nèi)壁剝落的氧化皮。99年4月和2000年5月，委托國電熱工研究院用超聲內(nèi)壁氧化皮測

3、厚法，對#1爐和#2爐高溫過熱器和高溫再熱器進行了測試和分析。根據(jù)測試結(jié)果，高溫過熱器迎煙側(cè)內(nèi)壁平均氧化皮厚度為345.6pm，背煙側(cè)內(nèi)壁平均氧化皮厚度為339.3pm；高溫再熱器迎煙側(cè)內(nèi)壁平均氧化皮厚度為322.7pm，背煙側(cè)內(nèi)壁平均氧化皮厚度為302.9pm。高溫過熱器迎煙側(cè)內(nèi)壁氧化皮最大厚度為382.1pm，背煙側(cè)內(nèi)壁最大厚度為365.3pm；高溫再熱器迎煙側(cè)內(nèi)壁最大厚度為483.4pm，背煙側(cè)內(nèi)壁最大厚度為365.3pm。可見，我廠高溫受熱面內(nèi)壁氧化皮厚度已較可觀。內(nèi)壁氧化皮的存在，不僅導(dǎo)致受熱面金屬壁溫升高，成為管子蠕變失效或過熱爆管的原因之一，而且增大了管壁的導(dǎo)熱熱阻，降低了鍋爐的

4、經(jīng)濟性。此外，由于氧化皮的不斷剝落，還對汽機和高低加的安全運行構(gòu)成了威脅。#1汽機中壓缸第一級隔板沖蝕狀況參見圖1。一圖1中壓第一級隔板（2000年3月#1機大修）2.高溫氧化皮成因和剝落機理分析由于鐵的氧化物種類繁多，并且在不同的條件下生成不同的氧化物，關(guān)于受熱面高溫氧化皮的成因和剝落機理，目前還處于探索和研究之中。通過多次試驗和分析，我們認(rèn)為主要是以下幾方面的原因：金屬的氧化是通過氧離子的擴散來進行的。假如生成的氧化膜是牢固的，在生成氧化膜后，氧化過程就會減弱，金屬就得到了保護。假如生成的氧化膜不牢固，那么生成的氧化膜不斷剝落，氧化過程就會繼續(xù)下去。受熱面氧化現(xiàn)象首先是鐵元素的氧化。在57

5、0C以下，生成的氧化膜是由Fe2O3和Fe3O4組成，F(xiàn)e2O3和Fe3O4都比較致密（尤其是Fe3O4）,因而可以保護鋼材以免其進一步氧化。當(dāng)超過570C時，氧化膜由Fe2O3、Fe3O4、FeO三層組成（FeO在最內(nèi)層），其厚度比約為1：10：100,即氧化皮主要是由FeO組成，F(xiàn)eO是不致密的，因此破壞了整個氧化膜的穩(wěn)定性，這樣氧化過程得以繼續(xù)下去。鐵與水蒸汽直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Fe3O4:3003Fe+4H2OFe3O4+4H2f如前所述，所生成的Fe2O3和Fe3O4本來應(yīng)該是較致密的，對管壁可以起保護作用。事實上，當(dāng)溫度超過450C時，由于熱應(yīng)力等因素的作用，生成的Fe3O4不能

6、形成致密的保護膜，使水蒸汽和鐵不斷發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)汽水溫度超過570C時，反應(yīng)生成物為FeO，反應(yīng)速度更快。在#1爐和#2爐高溫過熱器和高溫再熱器內(nèi)壁氧化皮測試試驗中，根據(jù)所測得的內(nèi)壁氧化皮厚度，計算了受熱面當(dāng)量金屬溫度。根據(jù)計算結(jié)果，高溫過熱器出口管屏上部迎煙側(cè)（材料為SA213T22）當(dāng)量金屬溫度為570588C,上部背煙側(cè)（材料為SA213T12）當(dāng)量金屬溫度為565570C，下部迎煙側(cè)和背煙側(cè)（材料為SA213T22）當(dāng)量金屬溫度均為595597C；高溫再熱器上部迎煙側(cè)和背煙側(cè)（材料為SA213T22）當(dāng)量金屬溫度均為595597C，下部迎煙側(cè)和背煙側(cè)（材料為SA213T22）當(dāng)量金屬溫度

7、均為595606.5C。從計算結(jié)果可以看出，高溫過熱器和高溫再熱器的當(dāng)量金屬溫度已接近材料允許使用溫度的上限。在實際運行中，短時間的超溫現(xiàn)象是普遍存在的。在超溫工況下，金屬的抗氧化能力大大降低有利于內(nèi)壁氧化皮的形成和發(fā)展。氧化過程中，氧向金屬內(nèi)部擴散首先是沿著晶界進行的，在金相顯微鏡下，常?？梢钥吹缴疃葹橐粋€晶粒大小的沿晶小裂紋。當(dāng)小裂紋連成一片并穿透后，內(nèi)壁氧化皮就會剝落。由于在不同的外界條件下，鐵會生成不同的氧化物，而鐵及其各種氧化物的導(dǎo)熱系數(shù)是不同的，當(dāng)溫度變化幅度較大、尤其是機組啟停時，鐵及其各種氧化物之間會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，且溫度應(yīng)力隨溫度變化速度增大而增大。這種溫度應(yīng)力也是管內(nèi)氧化皮剝

8、落的主要原因之一。3.分析與討論在氧化皮的形成過程中，管壁溫度和壓力對氧化皮的形成起著推動作用，降低受熱面壁溫、減小管內(nèi)介質(zhì)壓力可以有效地減緩管內(nèi)氧化皮的形成速度，但這必須以機組的經(jīng)濟性為代價。在運行中，注重燃燒調(diào)整和燃料種類選擇配用、防止受熱面超溫超壓，可以有效地遏制氧化皮形成。管內(nèi)氧化皮生成和剝落速度與溫度、時間、氧氣含量、蒸汽壓力、流速、鋼材成份、氧化皮成份等因素有關(guān)。通常認(rèn)為：溫度愈高，時間愈長，介質(zhì)中氧的分壓愈高，流速愈快，管內(nèi)氧化皮生成和剝落速度愈快，而鋼中加入Cr、Al、Si等元素，生成的氧化膜致密而牢固，可以使鋼材的抗氧化性提高。由于高溫受熱面工作環(huán)境較為惡劣，對管材的要求也就較高。目前，根據(jù)國內(nèi)外理論研究和運行實踐，T91是制作高溫受熱面較為理想的材料，近兩年內(nèi)我廠擬將高溫再熱器出口管排全部換成T91管材。必須重視技術(shù)監(jiān)督工作，適時取樣分析，及時掌握高溫受熱面管材金相組織變化及內(nèi)壁氧化皮發(fā)展?fàn)顩r，并據(jù)此科學(xué)地制定運行和檢修措施。檢修過程中，必須杜絕金屬雜質(zhì)進入受熱面管內(nèi)，以免由于金屬顆