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：WGZ1112/17.5 — 3, 最大蒸发量为1112・4T/h,采用自然循环；其中过热器出口 设计温度540°C、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，确定爆管位臵为 过热器第34排第一管圈入口管，规格为054x8,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图4炉前距下弯头4m处第勺根管氧化皮厚度分部状态磁场强度A/mT-弯头上4m处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FeO，这层氧化3 4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FeO，3 4而氧离子由外层向内层扩散，形成FeO由于Fe2+浓度比02-2 3大得多，所以这个氧化过程主要是Fe2+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FeO和FeO3 4 2 3当温度较高时，如温度达到400€时，会发生如下反应3Fe+4H O=Fe O +4H「当然，这个反应不会在炉管内发生，2 3 4 2因为Fe与HO因氧化层的阻隔，不会接触反应。
当温度在2570€以上时，随着原子能量的提高和迁移速度的加剧，FeO3 4会显得极不稳定，发生FeO+Fe=4FeO, FeO的厚度是FeO3 4 3 4的10倍，是FeO的100倍，三种铁氧化物从里到外分布顺2 3序为FeO- FeO - FeO由于FeO结构较为疏松，晶格缺陷3 4 2 3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===Fe O+Fe，所以FeO只是金属氧化物在一定温度条件3 4氧化速度与时间的关系示意图FeOFe O3Fe O2下的不稳定状态②炉管 基体570r以上时炉管氧化皮示意图（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、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 0.1 mm、铬钼钢0. 2-0・5mm［①；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）x10-6/1，而 氧化铁的热胀系数一般在9.1 x 10-6/r,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、 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②，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10T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：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°C2、 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，它一直在悄然发生，我们无法阻止，但是能通过 科学的方法我们可以极大地减缓其氧化，避免炉管因加速氧 化、深度氧化而发生爆管事故参考文献】〔1〕将青.《材料科学与工程导论》•吉林科学技术出 版社，1999年 3月版〔2〕崔朝英.《火电厂金属材料》.中国电力出版社.2005 年 7 月版。
作者简介：万文，男，党员，宁夏中宁人， 1 98 1 年 12 月1 日生，2005年毕业于吉林大学金属材料专业，同年 8月 参加工作，助理工程师，现任宁夏银仪电力设备检修安装有 限公司金属监督员。