350MW 超临界机组锅炉本体高温受热面氧化皮生成与剥落机理及防控策略

一、氧化皮生成机理

在 350MW 超临界机组锅炉所处的高温高压环境下，金属材料在高温受热区域（例如过热器、再热器等）与氧气、水蒸气等多种介质进行长时间接触时，可能会触发氧化反应。在这一工艺过程中，金属表面的原子与氧原子通过键合作用形成了一层致密的氧化层，即氧化皮。氧化皮的形成速度受到温度、压力、氧气浓度以及金属成分和微观结构等多种因素的综合作用。随着氧化层厚度的逐渐增加，其热阻也随之上升，这导致了热量传递效率的下降，并进一步加剧了金属基材的氧化过程，形成了一个恶性循环。燃料中的硫和氯等杂质在燃烧过程中会生成腐蚀性物质，这会加速氧化皮的生成，从而对锅炉的安全运行构成严重威胁。

二、氧化皮剥落机理

氧化皮的脱落是一个涉及物理、化学等多个方面的复杂过程。一方面，氧化层厚度的逐步增加导致其在基材上产生的热应力和机械应力持续上升，这进一步削弱了氧化皮与基材之间的粘附性；另一方面，在高温环境中，氧化皮内部可能会产生热应力裂纹，这可能是氧化皮剥落的起始位置。当这些裂缝扩展到某一特定区域时，由于锅炉操作过程中产生的振动和温度不稳定，氧化层容易脱落，从而产生了一种被称为“剥皮”的特殊现象”。

三、影响因素分析

1. 温度

氧化皮的生成和脱落在很大程度上受到温度的影响。以 350MW的超临界机组作为研究对象，通过对实际运行数据的监测，发现在不同的运行温度范围内，氧化皮的生长速度存在显著的差异。当受热面的壁温处于 580^∘ C^-600∘ C 的范围内时，氧化皮的平均增长速率约为每月 0.02mm ；然而，在壁温升高至 620^∘ C^-640∘ C 的区间内，氧化皮的生长速率会显著提升，达到每月 0.08mm 的增长率，这大概是之前增长速度的三倍之多。为了深入探究温度如何影响氧化皮的生长，在实验室条件下进行模拟实验。选用由同样的材料制成的金属样品，并在多种高温蒸汽环境中进行了储存。经过统一的时间周期后，对氧化层的厚度进行了精确的测量。

2. 材料

由于各种金属材料的化学组成和组织结构的差异，它们展现出了各自独特的抗氧化属性。我们对常见的锅炉高温受热表面材料进行抗氧化性能的实验研究。实验结果表明，在高温蒸汽环境下，含有较高铬量的合金钢（如 T91、T92 钢）的抗氧化性能明显优于常规的碳钢。在相同的高温蒸汽环境中（ 600^∘ C 压力 25MPa ，运行 1000 小时），T91 钢的表面氧化层厚度约为 0.15mm ，而常规碳钢的氧化层厚度则高达 0.5mm 。当含铬合金钢经历氧化过程时，铬这一元素会优先与氧进行化学反应，进而在金属表面形成一层紧密的 Cr203 保护层。这种保护膜可以有效地阻止氧原子向金属内部的扩散，从而阻止氧化反应的进一步进行。此外，这种材料的晶粒尺寸和内部构造在某种程度上也会对氧化皮的形成和脱落产生影响。微小且均匀的晶粒结构有助于增强材料的抗氧化能力，并减少氧化层脱落的可能性。

3. 蒸汽参数

350MW 的超临界机组运作时，由于蒸汽压力的增加，它对金属表面的冲击变得更为强烈，导致氧化层更快地脱落。调整蒸汽的流速会改变金属表面的传热情况，进而对壁面的温度产生影响。当蒸汽流动不足时，金属的壁面温度会上升，这有助于氧化层的形成；当蒸汽流动过于剧烈时，强烈的冲刷可能导致氧化层提前剥落。通过对某机组在蒸汽流量条件下的运行数据进行分析，我们发现，当蒸汽流量下降 10% 时，受热面的壁温平均上升了 15^∘ C，与此同时，氧化皮的生长速度也增加了大约 15% ；当蒸汽流动速度增加 20% 时，氧化层的脱落频率会明显增加。

四、防控策略

1. 优化燃烧调整

通过精细地调整燃烧参数，如降低过量空气系数和减少炉内的氧化气氛，我们可以有效地减缓高温受热表面的氧化速度。为了确保燃料得到充分的燃烧并减少不完全燃烧的产物，同时还能降低烟气中如SO3 这样的腐蚀性物质的含量，对风向来进行合理的配置，以减轻受热面的侵蚀。此外，为了防止局部温度升高和减少氧化皮的生成，燃烧器的摆动角度和风速需要进行适当的调整。

2. 定期检测与清理

构建定期检测系统，利用内窥镜和超声波测厚技术，能够对锅炉的高温受热部分进行全方位的温度监测，一旦发现氧化皮的出现，立即进行记录。对于已经形成的氧化皮，可以采用如机械清灰、水冲洗或化学清洁等方法进行处理，以防止其积累、增厚并可能导致剥落的风险。在清理任务完成后，对获得的数据进行评估，并根据实际情况调整检测的频率。

3. 材料升级

挑选具备出色的高温抗氧化能力的合金材料，如含铌和钛的高温抗氧化钢，将有助于提升这些材料的抗氧化性能。同时，在关键部位喷涂或覆盖抗氧化涂层以形成额外的保护层，从而有效地抵御氧气和腐蚀性物质的侵蚀。在材料升级的过程中，必须将其与机组的运行状况和成本效益分析相结合，以确保在经济性和可靠性之间达到平衡。

结语

350MW 超超临界机组的锅炉主体在高温下的受热面氧化皮生成和脱落是一个涉及众多因素且相当复杂的研究领域。经过对其生成和脱落过程的深入研究，制定行之有效的预防和治疗策略。这些措施不仅有助于延长锅炉的使用寿命和提高运行效率，同时也更有利于确保超临界机组的安全稳定运行，从而推动电力行业的持续发展。

参考文献

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