超临界锅炉蒸汽侧氧化皮的安全分析

超临界锅炉蒸汽侧氧化皮的安全分析

0超温和高温工况下发生大量超超临界机组停机事件近年来，中国大量的跨境装置相继建成。在高温和光热表面采用大量的青铜和新铁素体材料。一些钢的审核期很短，抗腐蚀和氧化能力没有长期测试，在较高的温度下可能发生大量氧化皮爆炸。随着机组容量和参数的提高,一些安全性及经济性问题也相继暴露出来。我国近期还将有大批超(超)临界机组投产,如果不及早研究高温受热面的蒸汽侧氧化规律和预防措施,其造成的非计划停机事故也将会越来越多,这不但影响发电企业正常的安全生产,而且必然影响到发电企业总体经济效益的提高。为此,针对蒸汽侧氧化皮剥落问题开展系列的研究工作,找出积极应对的有效措施,有助于减少和避免这类非计划性停机事故的频繁发生。1末级过热器管屏结构某电厂一期工程装有2台630MW超临界燃煤机组,于2007年投产。该机组锅炉为SG-1913/25.42-M967型、单炉膛、四角切圆燃烧、一次中间再热、变压运行、固态排渣、螺旋管圈直流炉,蒸汽温度571℃/569℃,蒸汽压力25.40MPa/4.35MPa。末级过热器共计82排,每排受热面由12根管子组成,布置在水平烟道中。每排管屏均由3种材料所组成,图1为末级过热器管屏结构,其中的3种材料分别为T91、T23和TP347H。2010年3月因高温受热面蒸汽侧氧化皮问题连续发生2次爆管。2温度上升锅炉在运行过程中,由于蒸汽侧氧化皮剥落沉积造成的危害主要有以下方面:(1)氧化皮的绝热作用引起管壁温上升,影响管材寿命;(2)阻碍管内蒸汽流动,使壁温大幅升高,金属蠕变胀粗,导致炉管泄漏;(3)剥落的氧化皮如果带入汽轮机,会损伤调节门、喷嘴和叶片;(4)造成汽水污染,影响汽水品质。为了防止和减缓氧化皮的生成和剥落,以下将对氧化皮的形成、影响氧化皮形成的因素以及剥落规律、解决措施等方面进行分析。3氧化皮肤的结构形状和剥离规律3.1影响钢中cr质量分数的因素对于T23、T91和TP347锅炉管来说,其蒸汽侧氧化皮的断面形貌一般都呈双层结构特征,且内外层氧化物厚度基本相当。大量的研究工作表明,外层氧化物成分主要为Fe3O4,内层氧化物成分主要为(FeCr)3O4,且内层氧化物中的Cr质量分数随着钢中Cr质量分数的增加而增加。通常外层氧化物疏松多孔,氧化物微观形态呈粗大柱状晶结构,内层氧化物比较致密,呈尖晶石结构,内外层氧化物的界面上一般都分布着大量平行于表面的孔洞,图2为各种材质氧化皮表面晶粒形貌。3.2机组启停或温度大幅波动造成的氧化皮点随着超(超)临界机组运行参数的提高,其运行温度可能已超过该材质氧化皮快速增长的温度水平,使得氧化皮更容易生成。从理论上讲,几种材质的抗氧化性能优劣次序为:TP347H、T91、T23。T91材料在内壁氧化皮厚度不超过0.15mm时,其内氧化皮与钢管基体结合紧密。TP347H抗氧化性能虽然优于T91,但其线膨胀系数要比T91大许多,在温度发生波动时其氧化皮要比T91易于剥落。T23材料抗氧化性能劣于T91,其内壁氧化皮厚度可能较大,在温度发生波动时其氧化皮也可能要比T91易于剥落。奥式体钢材高温下运行时其氧化皮的生成和剥落不可避免(见图3)。在锅炉正常运行中,受热面的温度变化相对较小,并不会大量剥落,由于受热面管内的蒸汽流速较高,少量剥落的氧化皮容易被汽流破碎带走,不会对锅炉产生危害,其大量剥落的主要原因是机组启停或温度大幅波动所产生的温差热应力。受热面管在高温下与水蒸气反应生成的氧化皮,性质硬而脆、无塑性,膨胀系数与基体钢材差别很大,尤其是与奥氏体材料差异大,温度和压力的波动均会造成氧化皮和基材结合面产生应力,该应力超过一定限值时,氧化皮即剥落。尤其是在停炉过程中剥落的氧化皮在底部堆积,在遇有蒸汽冷凝存有积水情况下,氧化皮粘结在一起,在下次锅炉启动时其蒸汽流量不大,流通蒸汽很难将其带走,极易引发受热面过热爆管。氧化皮的剥离有2个主要条件:一是温度变化幅度大、速度快、频度大;二是氧化层达到一定厚度。由于母材与氧化层之间热胀系数的差异,当垢层达到一定厚度后,在温度发生变化尤其是发生剧烈或反复变化时,氧化皮很容易从金属本体剥离。在机组启停过程中,管子的温度变化幅度是最大的,管内的氧化皮也最容易剥落。加之在启动初期蒸汽流量较小,不能迅速地将剥落下来的氧化皮带走,大流量时,氧化皮已经在管径较小的弯头处形成堵塞,引起管子超温。因此,氧化皮堵塞造成爆管大多发生在机组启动后的短时间内。尽管T91、T23等铁素体钢管蒸汽侧氧化皮的结构形貌特征与TP304、TP347等奥氏体钢管的相似,但其剥落规律和后继氧化行为截然不同,一般来说铁素体钢蒸汽侧氧化皮剥落时内外层氧化物一起剥落,开裂位置大多位于氧化物与金属交界面处或临近金属界面的内层氧化物内;而奥氏体不锈钢蒸汽侧氧化皮剥落时主要是原生外层氧化物剥落,内层一般不剥落,开裂部位大多在内外层氧化物交界面上。铁素体钢管蒸汽侧氧化皮剥落后裸露出的金属基体在后继运行中通常还会快速氧化,促使剥落部位的新生氧化皮快速生长,最终导致氧化皮的周期生长和剥落。而奥氏体不锈钢氧化皮原生外层氧化物剥落后,其内层氧化物状态良好,能够起到有效阻止氧化皮进一步发展的作用。因此,在后继运行过程中剥落部位的氧化皮继续生长的速度缓慢,剥落部位在后续运行中长时间内不会再次发生剥落问题。3.3对过热器的损害首先剥离的氧化皮在管子U型弯的底部停滞,由于机组启动时的蒸汽流量较小,无法将其带走。脱落的氧化皮不断积聚,数量较多时,即便机组启动后有了较大的蒸汽流量,也很难对其产生扰动并带走,被堵塞的管子壁温会异常升高,严重时将造成短期超温爆管。锅炉停运过程中,部分蒸汽凝结成水后积于过热器U型管下部,淹没了剥落的氧化皮,随着U型管底部积水自然蒸发,氧化皮一层紧贴一层,聚积成核状,使高温过热器流通截面被堵死。氧化皮一般堆积在过热器管屏的180°最小半径处,有利于氧化皮的堆积和阻塞。实际上,再热器的氧化皮厚度和剥离程度并不比过热器差,但爆管的机会要比过热器小得多,这是因为再热器管的管径比过热器管大,二者截面积相差近2倍,因堆积引起超温的机会也就小了很多。4爆炸管的分析与处理4.1管口液压优化,影响管道短期爆管发生高温过热器爆管的原因之一为管内壁的氧化皮层脱落,聚积在U型弯底部,减小了管道的通流截面,增加了蒸汽的流通阻力,管子内蒸汽流量相对减小,减弱了对管子的冷却效果,从而造成管子短期过热爆管。4.2机械清理管子U型弯底部氧化皮聚积较多,且个别管子内氧化皮结成核状,无法用高压空气或蒸汽吹管的方法处理,而用化学方法处理会造成管子的损坏。因此,只能用割管机械清理的方法。割下U型弯后,用铜棒敲击垂直管子,使已经松动的氧化皮倒出。U型弯内部清理后,用通球法进行100%通球检查,全部清理后重新对口焊接。5总体思路和方法根据对蒸汽氧化、氧化皮脱落及固体颗粒的产生、输运及对汽轮机叶片的侵蚀过程分析认为,相应的防治工作应沿着产生这一问题的全部环节展开。总体思路为:应设法防止和减缓氧化皮的生成;对已生成的氧化皮应避免其脱落;对已脱落的氧化皮应尽快予以清除;对未能及时清除的氧化皮应尽量采取措施减轻其对受热面和汽轮机叶片的破坏等。5.1在设备选择和设计中5.1.1抗蒸汽性能首先是降低蒸汽氧化的速率,对于同一等级的蒸汽温度参数,应尽可能选用抗氧化性能好的材料。对高温过热器和再热器管材内壁镀铬或喷丸,可减少蒸汽氧化。另外,炉型的选择也很重要,应注重有利于减小传热偏差和有利于氧化皮及固体颗粒的输运。5.1.2高温叶片材料选择鉴于固体颗粒侵蚀主要发生在高、中压缸的第1级,故以抗侵蚀为出发点,第1级的喷嘴和动叶应选用耐侵蚀能力强的高温叶片材料及采用防固体颗粒侵蚀的保护镀层及涂层,或采用表面硬化处理等措施。5.1.3材质场的选择为减少氧化皮的生成,新建锅炉受热面选材时,不是简单地提高材质等级,而是根据各受热面的金属材料使用环境的温度场、烟气流场的实际情况进行校核计算与比较后选择。5.1.4tp337h材料建议超临界锅炉高温受热面区域材料选用细晶奥氏体耐热钢TP347HFG,或选用管材内壁经过喷丸处理后,质量检验合格的粗晶粒TP347H材料。没经过喷丸处理的粗晶粒TP347H材料建议不选用。5.2主、再热蒸汽温度控制正常运行中,可通过锅炉高温管屏安全性PSSS(在线监测系统)控制过热器蒸汽温度和管壁温度。主、再热蒸汽温度的控制要服从炉内管壁温度,严禁超温运行。若发现过热器管壁温度超温,经过风量调整无效后,可适当降低中间点温度运行,避免汽压、汽温大幅波动。加强对汽温和烟温偏差的调整,运行中尽量减少减温水的使用,禁止大幅增加和减少减温水流量,燃烧器摆角处于可调整的位置。5.3减少锅炉启动时间5.3.1锅炉风烟系统锅炉点火后,适当开启上部二次风门,抑制火焰中心来控制温升。在热态启动过程中,为防止受热面金属温度降低,锅炉的风烟系统要与其他系统同步启动。风烟系统启动后炉膛通风控制在总风量35%,在炉膛通风5min吹扫完成后,立即点火投入燃料,防止受热面金属温度降低。在冷态启动过程中,严格按照升温曲线控制蒸汽温度。5.3.2主、再热蒸汽降压由于故障紧急停机,要控制高温受热面金属温度降温速率不超过3℃/min,主、再热蒸汽降压速率不大于0.3MPa/min;降压结束后水冷壁上水控制启动分离器温度降低速率不高于3℃/min。严格控制停炉过程中的冷却速度。5.4为振兴和监测锅炉维护5.4.1外壁氧化皮剥削率检查检查内容包括:胀粗检查、变形变色检查、壁厚检查、外壁氧化皮剥落宏观检查、弯头氧化皮堆积情况检查,特别要加强对超温管子的检查。对于无损检查发现氧化皮堆积较多的管段,应进行割管清理。5.4.2高温金属耐高温能力研究表明,材料中Cr质量分数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。提高金属的抗高温氧化性能是目前最有效和彻底的方法,从经济上考虑可以将局部的T23管子更换为T91。部分高温过热器的弯头更换为大弯曲半径的弯管。在整个过热器管屏,管子的壁温受结构、蒸汽流道、烟温偏差等因素影响而产生偏差,将存在超温的管子更换为高等级材质的管子。5.4.3清理高温过热器和再热器出口段下弯头定期氧化皮测量、割管检查、炉内壁温PSSS的测量和监视。充分利用停机的时机,对高温过热器和再热器出口段下弯头进行氧化皮堆积情况的拍片检查或磁性法检查,发现存在剥落的氧化皮,应立即进行割管清理。同时,对高温过热器和再热器进行外观检查和胀粗测量,发现外壁有超温氧化或管径胀粗值超标现象,应立即进行换管处理。5.4.4锅炉超温报警(1)保证热工测量仪表的准确性和保护的投入率,加强对热工保护的监视和仪表分析,尽早发现并解决问题,特别要关注各受热面管壁金属温度的变化趋势,一旦出现超温报警,应立刻停止升温升压操作,并降低锅炉燃烧强度。(2)保证锅炉炉管泄漏报警装置能正常投用。发现受热面泄漏时,要及时停炉,避免事故扩大。6机组安全运行辅助项目建设管内