吳學(xué)慶， 羅舜旭

(1. 佛山電建集團(tuán)有限公司， 廣東佛山 528000； 2. 佛山恒益發(fā)電有限公司， 廣東三水 528131)

國產(chǎn)第一代引進(jìn)型600 MW超臨界燃煤鍋爐的高溫過熱器普遍存在材料抗蒸汽氧化性能偏低現(xiàn)象。近年來，隨著這一批機(jī)組的服役時間超過50 000 h，高溫過熱器氧化皮問題不斷暴露，過熱器氧化皮剝落、堵塞、爆管逐漸成為這一批鍋爐泄漏的主要原因[1]。筆者對某電廠鍋爐高溫過熱器氧化皮形成的原因進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對化學(xué)清洗、管材升級等氧化皮防治方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性比較，在如何保證施工質(zhì)量方面提出了一些建議。

1 產(chǎn)生原因

1.1 鍋爐高溫過熱器結(jié)構(gòu)

某電廠同期建設(shè)的2臺鍋爐為SG-1913/25.4-M983超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π形布置鍋爐。高溫過熱器共有82屏，每屏有12圈管子。管屏采用多種材料組合(見圖1)，入口段(冷段)管子的材料為SA213-T23和SA213-T91，出口段(熱段)管子的材料為SA213-T91和SA213-TP347H，其中SA213-TP347H材料布置在出口段的最外第1、2、3、4、6根管子的垂直段部分。

圖1 高溫過熱器結(jié)構(gòu)圖

1.2 氧化皮產(chǎn)生及剝落的原因

超臨界直流鍋爐額定蒸汽的溫度為571 ℃、壓力為25.4 MPa，這一溫度、壓力條件下，蒸汽對金屬受熱面的氧化能力比空氣高達(dá)十幾倍，容易在金屬內(nèi)壁生成氧化皮[2]。根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果，低合金鋼如T23等，在正常服役溫度條件下(低于570 ℃)，蒸汽側(cè)的氧化皮為多層結(jié)構(gòu)，一般由外向內(nèi)依次為Fe2O3層、Fe3O4層和鐵鉻尖晶石氧化物(FeCr2O4)層。由于基體本身鉻元素含量較低，F(xiàn)eCr2O4層中鉻元素富集的程度有限，故從氧化皮結(jié)構(gòu)上來看，分層并不明顯。當(dāng)換熱管在超溫(570 ℃以上)情況下長期服役，氧化皮中靠近基體部位將形成FeO，這種物質(zhì)的致密性較差，會破壞氧化皮的穩(wěn)定性，導(dǎo)致氧化皮易于脫落。T91比T23具有更好的耐高溫性能與抗氧化能力。在使用溫度范圍內(nèi)，T91氧化皮也呈現(xiàn)成分層情況，一般由外向內(nèi)依次為Fe2O3層、Fe3O4層和FeCr2O4層。T91材料鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到9%左右，F(xiàn)eCr2O4層中鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在15%～18%。氧化皮生長到一定厚度后，不僅出現(xiàn)成分分層，結(jié)構(gòu)上也出現(xiàn)分層情況，F(xiàn)e3O4層與FeCr2O4層界面處存在大量空洞等缺陷，F(xiàn)e2O3與Fe3O4層間無明顯缺陷。TP347H的氧化皮分層情況與T91類似，但由于基體的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，F(xiàn)eCr2O4層中的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)通?？筛患?5%以上。蒸汽側(cè)氧化皮與基體金屬間、氧化皮各層氧化物間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在管壁溫度發(fā)生變化時，將導(dǎo)致氧化皮產(chǎn)生的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力幅值與溫變速率、氧化皮厚度、氧化皮結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系，當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到一定條件后，將導(dǎo)致氧化皮發(fā)生剝落[2]。一般情況下，對于T23等低合金鋼，氧化皮從基體界面處剝離；對于T91和TP347H等材料，氧化皮一般從Fe3O4層與FeCr2O4層界面剝離[3]。

氧化皮脫落厚度與合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，管材合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，氧化皮發(fā)生脫落的厚度越小[4]。不同管材材料氧化皮脫離臨界厚度統(tǒng)計見表1。對于超臨界鍋爐，累計運行時間達(dá)到10 000～15 000 h后，TP347H管子即發(fā)生氧化皮集中剝落現(xiàn)象。隨著累計運行小時數(shù)的加長，位于較低溫度區(qū)域的T91和T23管子氧化皮也逐漸增厚，運行40 000 h后，T91管子氧化皮厚度也達(dá)到0.18～0.26 mm。

表1 常用材料氧化皮剝離厚度

2 防治方法

對于超臨界鍋爐氧化皮防治工作，在嚴(yán)格控制鍋爐啟停溫度升降等措施的基礎(chǔ)上，主要有以下幾種方法。

2.1 逢停必檢及割管清理法

早期各電廠對超臨界鍋爐通常采用逢停必檢，在停爐后利用射線檢測高溫過熱器管內(nèi)氧化皮堆積情況，通常以氧化皮堆積高度超過30%管子內(nèi)徑作為割管清理標(biāo)準(zhǔn)。氧化皮剝落主要是氧化皮與金屬基體之間的熱膨脹系數(shù)不同引起，啟動過程中殘留氧化皮仍然會大面積脫落，存在爆管風(fēng)險。

2.2 管材升級法

管材升級是將換熱管的材料由較低性能等級更換為更高等級，以滿足高溫環(huán)境的使用要求。有部分電廠將高溫過熱器T23、T91管子升級為管內(nèi)噴丸處理的TP347HFG管子，升級后的高溫過熱器運行效果良好[4]；但仍有一些電廠存在換管效果不理想的情況，某電廠將高溫過熱器入口段材料由T91升級為TP347HFG，運行時間約達(dá)到3年，更換的TP347HFG材料再次出現(xiàn)氧化皮問題。

2.3 化學(xué)清洗法

采用適宜的清洗介質(zhì)對過熱器和再熱器管進(jìn)行化學(xué)清洗，可一次性清除管內(nèi)堆積和未脫落的氧化皮。該方法可將氧化皮清洗干凈，在一定時間內(nèi)避免過熱器氧化皮爆管的發(fā)生[5]。

3 方案比較

3.1 全管材升級

全管材升級是將高溫過熱器管材升級到更高性能的Super304H-SB或TP347HFG-SB，同時將T23管子升級為T91管子。目前，Super304H-SB新管的價格約為10萬元/t，TP347HFG-SB新管的價格約為8萬元/t，而SG-1913/25.4-M983型鍋爐高溫過熱器冷段管的總質(zhì)量約為96 t，熱段管的總質(zhì)量約為133 t。一次性將上述高溫過熱器出口段管材升級為TP347HFG-SB，進(jìn)口段管材升級為T91，單臺鍋爐總的改造費用在2 000萬元以上。

該鍋爐高溫過熱器T23管的正常運行壁溫為514～543 ℃，T91管的正常運行壁溫為573～587 ℃，TP347H管的正常運行壁溫為606～617 ℃。考慮到管材實際可使用的抗氧化溫度，T23管材的計算管壁溫度應(yīng)控制在570 ℃以內(nèi)，T91管材的計算管壁溫度應(yīng)控制在600 ℃以內(nèi)。由此可見，T23和T91均符合鍋爐廠對高溫過熱器用材的設(shè)計原則，但是TP347H管抗蒸汽氧化溫度低于設(shè)計溫度，需進(jìn)一步升級。采用全管升級方案，在入口段管材性能遠(yuǎn)高于鍋爐廠推薦的選材原則，出口段管材也滿足了抗氧化溫度要求，升級后管子的性能得到較大的提高，其處理費用也最高；但對于累計運行時間不到50 000 h的機(jī)組，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未到設(shè)計使用年限，如全部進(jìn)行升級，會造成比較大的浪費。該方案實施工期也較長，需要50天左右。

3.2 化學(xué)清洗

化學(xué)清洗過熱器的范圍包括分隔屏過熱器、后屏過熱器、高溫過熱器、集箱以及連接管道。單臺鍋爐清洗費用在500萬元以內(nèi)。

化學(xué)清洗是采用專用清洗劑和緩蝕劑，可以有效清除過熱器管內(nèi)表面的氧化皮，并保證除垢率和腐蝕速度達(dá)到DL/T 794—2012 《火力發(fā)電廠鍋爐化學(xué)清洗導(dǎo)則》規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)?；瘜W(xué)清洗對TP347H管的性能沒有改變，對于蒸汽出口設(shè)計溫度為570 ℃左右的鍋爐，TP347H不銹鋼出現(xiàn)氧化皮問題的時間大約在投運后10 000 h[6]。該電廠投運14 000 h后首次發(fā)生TP347H爆管，因此如不將TP347H管子更換升級，預(yù)計在清洗后機(jī)組運行15 000 h，氧化皮脫落會再次出現(xiàn)。

3.3 化學(xué)清洗與部分管材升級相結(jié)合

該方案首先進(jìn)行過熱器化學(xué)清洗，去除換熱管內(nèi)壁的氧化皮，之后再對特征材料進(jìn)行材料升級，以提高機(jī)組再次發(fā)生氧化皮問題的周期。高溫過熱器化學(xué)清洗的范圍包括分隔屏過熱器、后屏過熱器、高溫過熱器。細(xì)晶18-8型奧氏體不銹鋼的抗蒸汽氧化性能要比粗晶18-8型奧氏體不銹鋼好得多[6]。因此，將高溫過熱器出口段前6圈的管子更換為TP347HFG-SB，每臺鍋爐更換管的總質(zhì)量約為45 t，更換的位置見圖2。該方案換管工作量不到全管材升級方案的四分之一，參照運行經(jīng)驗，化學(xué)清洗后的過熱器5年內(nèi)不會發(fā)生氧化皮脫落堵管問題。

圖2 更換管排示意圖

此方案處理過程比較復(fù)雜，工程量較大，實施工期較長，改造時間需60天以上。每臺鍋爐材料費約為360萬元，清洗費用約500萬元，總費用約為1 200萬元。

通過對過熱器氧化皮治理方案的對比，對于運行時間50 000 h左右的機(jī)組，綜合考慮管子耐高溫和抗蒸汽氧化等因素，第三種方案相對經(jīng)濟(jì)、合理。

4 施工建議

4.1 換管工作

根據(jù)異種鋼材的焊接工藝要求，提前在制造廠加工并焊好異種鋼短接頭，盡量減少現(xiàn)場進(jìn)行異種鋼接頭焊接。新管入廠后，采用宏觀檢查、通球試驗、理化檢驗的方式進(jìn)行驗收，發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品及時更換處理。

4.2 化學(xué)清洗

(1) 為保證化學(xué)清洗質(zhì)量，應(yīng)選擇具有防止發(fā)生堵管、氣塞、晶間腐蝕的技術(shù)能力和相應(yīng)的技術(shù)手段，并具有腐蝕在線監(jiān)測裝置的清洗單位。

(2) 化學(xué)清洗前要取樣進(jìn)行管樣垢量及成分分析，并進(jìn)行小型試驗確定化學(xué)清洗濃度和化學(xué)清洗工藝。

(3) 化學(xué)清洗前安排對高溫過熱器出口段下彎頭進(jìn)行射線檢測，將氧化皮積聚高度超過50%管子內(nèi)徑以上的，進(jìn)行割管清理，防止清洗過程堵塞。

(4) 高溫過熱器為并列式W形管設(shè)計，因此如果清洗流速不能達(dá)到要求，會在部分管路中形成氣塞，致使清洗過程中清洗液不能完全接觸到需要清洗的過熱器管表面，影響清洗效果；或者在清洗結(jié)束后的水沖洗不徹底，造成清洗液殘留在過熱器管中，從而引起運行后爆管等不良后果。另外，流速過低會使已經(jīng)剝離下的氧化皮及清洗殘渣不能被有效沖走而沉積于過熱器管的下部彎頭處而造成堵管。

要消除并列式 W形管中形成的氣塞，必須保證已經(jīng)流通的W形管中流體流動產(chǎn)生的阻力大于未流通W形管中形成氣塞的流體靜壓力(即W形管從最低點到最高點的壓差)。根據(jù)計算及清洗經(jīng)驗可知，過熱器管內(nèi)流速應(yīng)為1.0 m/s以上。各級過熱器部件計算流通面積為各管屏截面積之和，按照0.5 m/s、0.7 m/s、1.0 m/s三種流速分別計算出對應(yīng)的清洗流量，過熱器清洗流速計算結(jié)果見表2。

從表2中看出：清洗體積流量達(dá)到1 880 m3/h可滿足清洗流速要求，過熱器清洗過程中清洗泵應(yīng)保證體積流量在2 000 m3/h以上，且必須設(shè)有備用泵。

表2 過熱器清洗參數(shù)

5 結(jié)語

筆者對某電廠SG-1913/25.4-M983超臨界參數(shù)變壓直流爐氧化皮產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并結(jié)合機(jī)組自身特點，對目前廣泛使用的氧化皮治理方法的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了綜合比較，得出以下結(jié)論：

(1) 新建超臨界機(jī)組，在設(shè)計初期應(yīng)充分考慮材料的抗氧化能力，避免使用抗氧化能力較差的TP347H、TP347HFG等材料，建議選用噴丸處理的TP347HFG、Super304H等材料。

(2) 對于服役時間累計運行時間50 000 h左右的該型號鍋爐，根據(jù)材料情況，采用化學(xué)清洗加局部管材升級是最優(yōu)方案。