金属氧化引起锅炉爆管事故原因分析及防范措施论文(万文)

1、金属氧化引起锅炉爆管事故原因分析及防范措施（宁夏银仪电力设备检修安装有限公司，宁夏银川，万文）【摘要】本文描述了宁夏中宁发电公司#2锅炉一起爆管事故，对爆管原因进行了分析，发现锅炉超温运行引起炉管内壁氧化脱落，堵塞管内蒸汽流通，从而导致炉管短期超温爆管，并对金属高温氧化的产生机理进行了分析。宁夏银仪检修公司在处理中电公司炉管氧化爆管过程中采取了机械清理、化学清洗、蒸汽吹扫等措施，消除了缺陷，使机组顺利投入运行；同时提出了防止此类事故发生的措施。通过分析和处理表明，只要我们采取正确的处理方法就可以消除和避免此类事故的发生，确保机组稳定运行。【关键词】火电厂 金属氧化 锅炉爆管 防范措施火电厂锅炉

2、爆管事故一旦发生，必须停炉处理，影响整个机组的安全性和经济性。诱发此类事故的原因很多，如炉管制造缺陷、设计缺陷、燃烧控制不当、运行误操作、基建安装等等，但不论是什么原因，只要我们掌握的它发生的机理、加强监督，就能够有效减少甚至避免事故的发生，提升机组的安全运行可靠性。本文中某电厂爆管抢修事故揭示了诸多诱因中非常普遍但又容易被忽视的重要原因之一炉管的氧化。一、事故经过宁夏中宁发电有限公司（以下简称中电公司）两台330MW亚临界机组始建于2003年，#1、#2机组先后于2004年、2005年投产，最大设计负荷330MW；锅炉型号：WGZ1112/17.53，最大蒸发量为1112.4T/h，采用自然

3、循环；其中过热器出口设计温度540、出口压力17.54MPa。2010年11月13日，该公司#2炉固定端48米处折焰角上方高温过热器发生爆管，事故现场伴有刺耳的泄漏声， #2炉固定端排烟温度上升，主汽流量、给水流量和机组补水量增大。停炉后，宁夏银仪电力设备检修安装有限公司（以下简称银仪检修公司）对爆管现场进行检查，确定爆管位置为过热器第34排第一管圈入口管，规格为54×8，材质T91。从外观上，爆口成喇叭状，爆管后严重变形，并在巨大的反作用力下将附近的第35、36排部分炉管打弯变形，推测炉管为瞬间爆开，爆口如图1所示。图1：爆裂变形的炉管通过进一步对高温过热器、后屏过热器、高温再热器

4、外观、壁厚、硬度和蠕胀等测量,其吹损程度、硬度、壁厚和蠕胀数据全部在正常范围内。为进一步查明爆管原因，银仪检修公司对过热器U型弯进行X射线拍片检查，发现高过水平直管段（材质：TP347H）内有明显的异物；割除该处管排U型弯后发现，高温过热器第28、32排炉管内有大量氧化皮沉积物，其它管排U型弯处也发现了少量的氧化皮沉积物，如图2所示。图2：从炉管中清理出的金属氧化皮银仪检修公司扩大检查范围，对高过入口集箱、后屏过热器入口集箱、分隔屏左、右入口集箱的封头进行割除，并用内窥镜检查，未发现集箱内有异物。二、原因分析针对中宁公司连续爆管的问题，西安热工研究院、北京必可测科技公司受中电公司委托，利用其奥

5、氏体不锈钢内壁氧化皮检测技术，进行有针对性地检测，对氧化皮脱落堆积严重的管子进行割管检测。从清理出的氧化皮数量表明：中宁公司#2锅炉目前处于氧化皮生成多发期及氧化皮易脱落期。北京必可测科技公司到现场对末级过热器TP347H管子直管段内壁氧化皮厚度及剥落情况检测结果显示：炉前与炉后相比，炉前侧氧化皮剥落明显，炉后侧氧化皮分部较为均匀；从固定端数，炉前第24，27，28，32屏的第1根管，炉后数第25，28屏的第1根管氧化皮明显偏厚。其主要分布状态见图3-图6。氧化皮含量g磁场强度A/m图3 炉前距下弯头1.7m处第1根管氧化皮厚度分部状态氧化皮含量g磁场强度A/m图4 炉前距下弯头4m处第1根管

6、氧化皮厚度分部状态氧化皮含量g磁场强度A/m图5 炉后距下弯头1.7m处第1根管氧化皮厚度分部状态氧化皮含量g磁场强度A/m图6 炉后距顶棚下3.5m处第1根管氧化皮厚度分部状态根据目前国内外对氧化皮形成、脱落、危害、预防的研究了解，中电公司#2炉过热器内存有大量氧化皮的原因，主要是金属壁温频繁或长期过热超温引起，过热温度虽然没有达到使炉管蠕变的程度，但长期超温工况下运行导致了金属氧化加剧，氧化皮脱落后堆积在炉管内，减小了管内蒸汽的流通截面，蒸汽无法将炉管热量及时带走，导致炉管在短时间内因过热而强度急剧下降，在炉管内蒸汽压力的作用下最终导致爆管。在后续调查中发现，中电公司运行操作过程中，曾发生

7、多次炉管超温运行现象，最长超温时间达30分钟之久。那么，炉管氧化皮是怎么产生的，应如何防范，遇到此类缺陷后如何处理呢？三、炉管氧化皮产生的机理及其危害（一）炉管氧化皮产生的机理。金属的氧化普遍的、缓慢的、正常的化学现象。金属表面的氧化本质上是一个电化学腐蚀过程。室温下，铁合金产品，主要指各种钢材，其表层首先生成的是Fe3O4，这层氧化膜非常致密，阻止了金属的进一步氧化，增强了金属的抗氧化和抗腐蚀性。氧化后，金属内层为阳极，表层为阴极，随着时间的推移，二价铁离子由内层向外层扩散，形成Fe3O4，而氧离子由外层向内层扩散，形成Fe2O3。由于Fe2+浓度比O2-大得多，所以这个氧化过程主要是Fe2

8、+的扩散。该反应需通过固态相变实现，所以虽然在较高温下，其反应速度依然较低，氧化速度和时间的关系呈抛物线关系。因此，一般钢的表面形成的氧化物主要是Fe3O4和Fe2O3。当温度较高时，如温度达到400时，会发生如下反应3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2。当然，这个反应不会在炉管内发生，因为Fe与H2O因氧化层的阻隔，不会接触反应。当温度在570以上时，随着原子能量的提高和迁移速度的加剧，Fe3O4会显得极不稳定，发生Fe3O4+Fe=4FeO，FeO的厚度是Fe3O4的10倍，是Fe2O3的100倍，三种铁氧化物从里到外分布顺序为FeO- Fe3O4- Fe2O3。由于FeO结构较为疏松，晶

9、格缺陷多，铁离子缺位，所以铁离子有很高的扩散系数，所以金属氧化速度加快，抗氧化性急剧变坏，这时氧化和时间就变成直线关系，氧化皮生成速度加快。需要特别指出的是，当炉管温度冷却到570以下时，FeO就会发生还原分解：4FeO=Fe3O4+Fe，所以FeO只是金属氧化物在一定温度条件下的不稳定状态。加速氧化氧化速度mg/cm-2炉管基体FeOFe3O4Fe2O3一般氧化时间/103h570以上时炉管氧化皮示意图 氧化速度与时间的关系示意图（二）氧化皮对火电机组运行的危害炉管内的氧化物厚度如果在合理范围内，其不会影响锅炉的安全运行，但在氧化加剧的情况下，氧化皮脱落对锅炉的安全运行会造成极大的危害：1、

10、氧化皮形成以后，达到一定厚度后就会剥离。氧化层剥离有2个主要条件：一是氧化膜达到一定厚度(不锈钢0.1mm、铬钼钢0.2-0.5mm)；二是温度变化频繁、幅度大、变化率高。过热器的热胀系数一般在(16-20)×10-6/，而氧化铁的热胀系数一般在9.1×10-6/，由于热胀系数的差异，在氧化层达到一定厚度后，在温度发生变化尤其是剧烈或反复变化，很容易从金属本体剥离。氧化皮多数被蒸汽带入汽轮机，在某些情况下会在炉管的U形弯头底部沉积，阻碍蒸汽流动，炉管温度不能及时降低，从而引起炉管短期超温爆管。2、微小的氧化皮颗粒被带入汽轮机系统后，会造成主汽门的卡塞缺陷，影响机组安全性。3

11、、氧化皮固体颗粒对设备磨损而引起严重损坏，主要发生在汽轮机汽门杆、一级喷嘴单元和中压汽轮机隔板等部位。4、此外，高温下，伴随着氧化作用，还会发生脱碳、腐蚀、渗碳、渗氮等多种反应，破坏金属的金相组织结构，产生腐蚀、脆化、裂纹等缺陷，加速炉管老化，降低炉管寿命。炉管寿命与温度的关系可用拉尔森-米列尔关系式表示：T（C+lgr）=常数，其中C为常数，一般取C=20，计算误差不超过10%；r为炉管寿命/h。由此式可推算出，当温度超过10时，炉管的工作寿命会减少一半以上，即超温运行1h，就相当于在额定温度下运行2h。四、事故处理炉管内壁氧化层超标后，其处理起来比较麻烦。如果只有个别炉管有氧化现象，经确认

12、后，只要将氧化的炉管割除更换即可；如果氧化程度严重且范围比较大，则应进行化学清洗，并进行蒸汽吹扫，彻底清理残留在氧化皮颗粒，吹扫合格后方可投入使用。针对如中电公司#2炉过热器处于氧化较严重、氧化皮易脱落的现象，银仪检修公司利用专用设备将金属弹簧伸入炉管内进行旋转，同时对炉管进行振打，对以形成的氧化皮残余物进行机械剥离（其实大部分氧化皮已在停炉过程中自行脱落），对淤积氧化皮的弯头进行割管处理，锅炉投运前进行了化学清洗和蒸汽吹扫，并达到合格标准。五、防范措施金属氧化引起的事故不仅带来直接的经济损失和安全风险，而且会显著降低炉管的寿命。为最大限度地减少炉管内氧化层生长和剥落引发的问题，可采取以下措施

13、：1、提高运行控制和管理水平，严格控制管壁温度，并适当增加温度较高区域的壁温监测点数量。火电厂锅炉炉管的氧化与温度有直接的关系，因此严格控制运行温度是延缓氧化、避免氧化加剧、延长炉管寿命的最重要原因。一般，同一牌号的金属管道其允许的使用温度比最高允许温度低30-50。2、调整锅炉燃烧工况以改善烟道内烟气温度分布场，避免炉管局部超温。3、适当降低超温报警、预警温度设定值，在不影响机组出力的情况下，降低炉管整体的温度水平。4、严格按规程控制启停炉的升降温速度，尤其是不能进行快冷。5、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。6、加强对锅炉“四管”的金属监督，利用每次停机时机，对锅炉重点区域进行监督检查，测定炉管氧化皮的厚度，客观地做出安全性评价。7、检修过程中纠正出列的炉管，避免形成烟气走廊使其局部温度过高。结论：1、针对中电公司#2炉爆管事故的分析表明，锅炉超温运行可加速金属氧化，氧化皮脱落淤积会导致炉管局部短期超温爆管。2、在处理此类事故过程中，关键是要将残留在馆内的氧化皮清理干净；宁夏银仪检修公司采取机械清理、化学清洗、蒸汽吹管等积极正确的措施，使机组顺利投运。3、防止设备事故发生的关键在于如何防范，本文提出的七条防范措施，其核心在于防止锅炉超温或局部超温。4、实际上，金属的氧化是电化学腐蚀过程，是一种不可逆现象，它