基于新型无损检测仪的奥氏体锅炉管.doc

基于新型无损检测仪的奥氏体锅炉管
内壁氧化皮堵塞爆管探析
彭欣 李友庆 曾劲松 王双勇 任建文
湘潭发电有限责任公司

摘 要： 奥氏体不锈钢氧化膜脱落堵塞引起爆管的问题已严重威胁火电厂的运行，作者通过分析湘潭电厂采用传统的射线拍片检查和自主研发新型专用无损检测仪对管子进行检测的情况，突出新型专用检测仪具有检测准确快捷、灵敏度高、对被检测管子无要求的优点。并根据两台超临界锅炉的检测结果分析了氧化皮堵塞的特点，同时结合奥氏体锅炉管壁温度曲线变化，指出即使是滑压闷炉缓冷的锅炉也会发生氧化皮堵塞。从强化管理的高度率先提出并实施了将氧化皮检测纳入“四管”防磨防爆体系，在氧化皮问题上做到“逢停必查”，确保机组运行安全，为其他电厂处理此问题提供宝贵的实际经验。
关键词：氧化皮；奥氏体不锈钢；无损检测；堵塞
Investigation for the pipe burst caused by oxide skin stripping off from austenitic stainless steel pipe internal wall
based on the new tester
Peng Xin Li Youqing Wang Shuangyong Ren Jianwen
Xiangtan Power Generation Co.,Ltd 411102

Abstract: The problem that pipe burst caused by oxide skin from austenitic stainless steel pipe, which stripped off from the pipes internal wall and blocked the pipes,has greatly threatened the healthy operation of power plants. The author analysed the testing condition of Xiangtan power plant, whose supercritical boilers were tested by traditional X-ray and the new special tester self-developed by Xiangtan power plant, underlined the special tester has advantages of high sensitivity and no-requirement for the tested pipes, the operation was also simple and quick，then indicated the features of the oxide skin blockage based on the testing results. Combined the temperature curve of austenitic boiler pipe, this paper pointed out the boiler pipes would be probably blocked by oxide skin even if the boiler shut down with sliding pressure. In view of strengthening maintenance management, Xiangtan power plant presented and implemented the measure that integrated oxide skin testing with anti-wear and anti-burst system for ”four pipes” and tested pipes as soon as the units shutted down so as to make sure the units operated securely. These also provided valuable practical experience for other power plants dealing with similar problems.
Key words: oxide skin; austenitic stainless steel; nondestructive testing; block

0 引言
目前，在国内外火力发电机组中，高温过热器不锈钢管内壁蒸汽氧化所引发的氧化层剥落造成管子堵塞爆管的现象时有发生。随着我国火电机组向超临界、超超临界参数发展，此类问题将会更为突出。虽然不少学者研究员经过探索取得了一定进展，但对彻底解决氧化皮的生长和剥落做到可控在控这一问题尚无定论，现已成为困绕电力行业的一个国际性难题。
湘潭电厂二期扩建投产了两台600MW超临界发电机组，配备了东方锅炉（集团）股份有限公司生产的超临界参数变压直流本生型锅炉，高温过热器出口额定工作温度为570℃，额定工作压力为25.4MPa。屏式过热器、高温过热器和高温再热器的炉内管部分材质均为TP347H，其中屏式过热器共13屏，每屏24圈，蒸汽进口侧管子规格为45×7.4mm，蒸汽出口侧管子规格为45×10.8mm，高温过热器共31屏，每屏20圈，第一圈管子的规格为50.8×8.9mm，其余为 45×7.8mm，高温再热器共84屏，每屏10圈，管子规格均为50.8×4.5mm。投产数千小时后发现高温过热器有内壁氧化皮堵塞现象。

1 氧化物堵塞爆管问题综述

金属中的Fe元素会在高温水蒸汽与水蒸汽和水蒸汽分解出的O2反应产生严重的氧化。从热力学角度分析，铁的高温水蒸汽氧化是一个不可避免的自然过程。氧化物的剥落决定于氧化产物与母材热膨胀系数之间的差异，相差越大，氧化皮越容易剥落。表1列出了两种不锈钢材和氧化物的热膨胀系数。

表1 几种钢材和氧化物在600℃时的热膨胀系数
Tab.1 heat expansion coefficient for some kinds of steels and oxide at 600℃
材 料
TP304
TP347H
Fe3O4
Fe2O3
FeO
线膨胀系数
(×10－6m/℃)
19.1
18.9
9.1
14.9
12.2

因此，由于热膨胀系数的差异，当氧化层达到一定厚度后,在温度发生变化时，氧化皮即很容易从金属本体剥离。尤其是温度发生反复的或剧烈的变化时，如锅炉启停、停炉时强制通风快速冷却，都会加速氧化皮的剥落。剥落物的氧化皮主要成分是Fe3O4和少量Fe2O3，锅炉正常运行中的蒸汽流带不走尺寸较大的氧化皮，所以造成了停机时氧化皮的堵塞。

氧化皮堵塞造成的损坏主要体现在以下三方面：（1）超温爆管 在机组启动和停炉过程中，氧化物的剥落率最高，当堆积物数量较多时，管壁大幅超温，引起爆管，一般是在开机并网后几十小时甚至几小时内发生，爆口呈短期过热特征。（2）主汽门的卡塞。（3）造成汽轮机固体颗粒磨损而引起严重损坏。

目前国内解决此问题的方法只能采用对弯管段进行射线拍片的传统方法，通过对底片投影进行判断分析管子被氧化皮堵塞的程度，这种方法花费时费力，尤其不适合用在负荷紧张的停机抢修中，且常因人为操作工艺不当影响底片成像，影响判断的准确性。另一种是采用氧化皮专用检测仪器，检测速度快，1台炉1~2天就可以完成，准确性较高；

2 湘潭电厂超临界机组锅炉壁温变化及奥氏体锅炉管检测过程

2.1 机组滑停过程高温过热器壁温变化情况

通过调研总结，公司从运行和检修的角度出台实施了预防控制氧化皮堵塞的措施，规定在机组运行时控制不发生超温和负荷急剧变化的情况发生，且在滑停过程中屏过、高过和高再出口蒸汽温度的温度变化率不高于2℃/min。下图为出台控制措施后4号机组在一次滑压停机过程高温过热器壁温测点的记录曲线。

图1 高过出口管子停炉后壁温变化曲线 图2 高过出口管子通风吹扫过程壁温变化曲线
Fig.1 Temperature curve of superheater Fig.2 Temperature curve of superheater
exit-end pipe while units shutting down exit-end pipe at purging process

从图1中可看出在通风吹扫之后的过程中壁温下降速度远小于每分种2℃，图2为图1的通风吹扫过程壁温变化的局部放大图，可以看出在此阶段壁温下降速度很快，在12分钟时间下降了约240℃，平均每分钟下降20℃，大大超出控制的温度变化速率。但是通风吹扫过程是必不可少的。从氧化皮剥落的机理来解释，这个过程不锈钢将急速收缩，而氧化物却几乎不收缩，导致剥离脱落，所以受这个过程的影响容易产生氧化皮堆积。

2.1 射线检查过程

2007年8月至10月间，利用停炉检修机会，金属监督安排采用射线拍片的方式，对高温过热器U形弯的下弯头进行射线拍片抽查氧化皮堆积情况，如下图所示：

图3 装入氧化皮的试样管底片 图4 实际检查中的射线底片
Fig.3 radiographic fil m with oxide skin Fig.4 radiographic file at practical work testing at sample pipe

从图3中可以看出，管子中部有一道较明显的分界线，上面较黑的部分是空管，下面较白部分为氧化皮，图4为实际操作中的底片，可看出弯头部分黑度差不大，分界线不很清楚，所以基本判断此管内无氧化皮。

2.2 氧化皮专用仪器检测方法

2007年我们开发一种氧化皮专用无损检测仪器，检测信号的强度与钢管内部氧化物的重量及堆积形状有关，同时还与管子的规格尺寸（管壁厚度）有关。从检测结果可确定氧化皮的空间堆积状态，以此作为依据判断是否需进行割管清空处理。

2.3 两台锅炉受热面氧化皮检查情况

电厂采用新型氧化皮检测仪对3、4号锅炉的屏过、高过、高再受热面管子分别进行了氧化皮检查，检查情况如下：

2007年底4号机组调度滑停后，高过管子壁温变化如图5、6所示，对屏过抽查了7屏，分别是炉左数第1、2、6、7、8、12、13屏。屏过检查了V形弯的弯头部位，高过、高再检查了所有U形下弯的前弯和后弯及部分中间管段。对于检查中发现氧化物堵塞管子横截面积的五分之一左右及以上的管子割开，用内窥镜观察内部堆积形貌，再用吸尘器吸出打包，再分别称重记录。其中屏过检查未发现堆积，未进行割管。高过共割管59根，高再共计割管74根。

图5 4号锅炉高过炉左第4屏外数第2圈前弯 图6 4号锅炉高过炉左第4屏外数第2圈下弯
内窥镜中氧化皮堆积形貌 氧化皮重10克
Fig.5 oxide skin appearance in the forward bend of Fig.6 weight of oxide in the forward bend of
outward second circle of fourth screen of superheater outward second circle of fourth screen of
from the left side on endoscope superheater from the left side is 10 gramme

同样，2008年初，3号机组滑压停炉后，也普查了屏过V形弯的弯头部位，高过、高再检查了所有U形下弯的前弯和后弯及部分中间管段。管子堵塞总体情况较好，只有少数几根有少量氧化皮，但不会造成堵塞爆管，无需进行割管处理。除高温过热器炉左数第19屏内数第4圈被氧化皮几乎完全堵塞外（见图7），割管清空后称重为126克，

图7 3号锅炉高过炉左第19屏内数第4圈后弯 图8 3号锅炉高过炉左第19屏内数第4圈上弯
内窥镜中氧化皮堆积形貌 氧化皮重126克
Fig.7 oxide skin appearance in the backward bend of Fig.8 weight of oxide in the backward bend
inward fourth circle of nineteenth screen of superheater of inward fourth circle of nineteenth screen
from the left side on endoscope of superheater from the left side is 126 gramme

2.4 两台锅炉氧化皮堵塞特点分析

2.4.1 4号锅炉的特点

从割管的位置分析，高过氧化皮的分布严重的管子位置无规律。堵塞最严重达高过管子横截面约一半的管子有两三根，其余大多是堵塞了横截面的五分之一至四分之一。堵塞的位置一般在上弯头和下弯头，但斜段有一定的分布。

高再堵塞管子分布有一定规律：

堵塞位置都在弯头部位，水平段几乎没发现。炉后弯头堵塞的机率比炉前弯要大得多，所割的72根管中有64根是因为炉后弯堵塞所致。堵塞较严重的一般为中间管屏（积灰严重区）的第一圈、第二圈为多。但堵塞最严重达一半的有三四根左右，其中炉左38屏外数第6圈后弯整根管全部堵塞，氧化皮重量为320克，这些堵塞严重的管子分布在每屏10圈中的中间位置。

2.4.1 3号机组特点

管材大部分从国外进口，综合性能可能与国内生产的管材有所不同，在短期内表现出脱落情况比4号机组好，但仍不能完全避免有堵塞情况的发生，仍需进行检测。

2.5 发现的问题：

检查发现4号炉奥氏体管子氧化皮产生较多，堵塞堆积达四分之一以上的管子共有一百多根，其中高再有一根完全堵塞。管子内壁老化严重，有明显氧化皮脱落痕迹，根据氧化皮脱落的研究，这种脱落将是一种恶性循环，如不采取有效措施可能以后脱落会越严重。

相同材质，不同的生产厂家生产的质量不一致，两台机组的生产厂家不一样，从目前的几次检测结果来看，4号机组比3号机组运行时间短，运行和停机方式基本相同的情况下，氧化皮堵塞的程度严重得多。但3号机组仍不能完全避免有堵塞情况的发生，同样需进行检测。

4 结语

1、金属在高温水蒸汽中会发生严重的氧化，运行时生成铁氧化物附着在蒸汽管道内壁，当氧化层达到一定的厚度，且管壁温度急剧变化时由于不锈钢与氧化物的热膨胀系数不一样产生脱落。脱落后一般堆积在弯头部位，堵塞严重时将导致开机后短时间内爆管，严重影响机组安全运行。

2、提高运行控制和管理水平，并适当增加温度较高区域的壁温监测点数量，严格控制管壁温度。控制启停炉的升降温速度，不能进行快冷。锅炉启动时及时投入启动旁路系统，避免过热器、再热器干烧造成的管壁超温。

3、经实际应用表明，氧化皮检测仪器具有检测灵敏度高、线性度高的优点，特别对检测管子的清洁度无要求，冷炉后就可进行检测，能大大加快检测速度，检测一台超临界锅炉所有弯头时间为2-3天时间，检修时可边检测边割管检修，特别适合用在负荷紧张的场合。

4、从管理上加强对氧化皮堵塞的检查，将氧化皮检测纳入“四管”防磨防爆体系，建议在机组运行超过3千小时后，停炉有三天以上的检修时间即安排采用氧化皮无损检测仪器对屏过、高过、高再受热面管子进行检测，需全面检查易堵塞部位，不仅前后弯头处需检测，且两弯头之间的斜管段也必须检测。因为即使机组是滑压停机进行闷炉缓冷，奥氏体钢管温度也会在通风吹扫过程中下降很快，仍会造成氧化皮脱落堵塞，所以最积极的防范处理是“逢停必查”，确保机组安全。

参考文献
[1] 火力发电厂金属材料手册[M]，北京：中国电力出版社，2000，356-364；
[2] 李耀君，柯于进等，氧化皮脱落导致的过热器管爆管分析[J]，热力发电，2005，34（6）：56-59；

《奥氏体锅炉管氧化皮预防控制及检测设备研发》为湖南省湘潭电厂2007年科学技术专项攻关项目