浅析超（超）临界锅炉不锈钢管内壁氧化皮检测问题
吴瑾平
（大唐湘潭发电有限责任公司 湖南湘潭 411102）
作者简介：吴瑾平：1981年，贵州人，本科，工程师，从事电站锅炉设备点检和技术监督。
摘要：文章闸述了锅炉高温受热面管中奥氏体不锈钢管内壁氧化皮生成脱落的机理，指出磁通量测量原理专用仪器可准确快速检测奥氏体不锈钢管弯头氧化皮堆积状态，并结合笔者自身长期跟踪检测的经验，提出实际检测过程中需注意的几个环节,最后从运行和检修管理角度总结防治氧化皮脱落堵塞的几点措施。
关键词：不锈钢管氧化皮磁通量
0、引言
随着超（超）临界火电机组的投产运行，由于氧化膜与基体金属的膨胀系数差别较大，高温受热面使用的奥氏体不锈钢管内壁氧化皮会出现脱落，停机后堵塞在管子下弯头，易造成超温甚至爆管，也有一些氧化皮剥落物会被蒸汽带走，蒸汽携带的氧化皮剥落物穿过滤网进入汽轮机后就会对叶片、喷嘴等造成严重的固体粒子冲刷磨损，从而降低这些部件的寿命和汽轮机的效率。这就是众所周知的超（超）临界锅炉氧化皮堵塞问题。
1、氧化皮脱落机理及不同管材的临界脱落厚度
在机组长期运行过程中，高温高压蒸汽的氧化作用，锅炉管内壁会生成氧化皮，这种氧化皮在微观上呈现内外两层结构，其中外层成分主要为Fe3
O4（有时最外层还有少量Fe2O3相），内层成分主要为尖晶石结构的(Fe,Cr)3O4。当氧化皮生长到一定厚度值时，即临界脱落厚度（不同的管材的临界脱落厚度不一样），在启停炉过程中受管材收缩热应力等的影响，外层氧化物（即主要成分是Fe3O4的外层）就会在内外层分界面产生开裂而剥落，而其内层的(Fe,Cr)3O4 一般不剥落。当氧化皮剥落物大量沉积在管子下弯头部位时就会造成堵塞，继而导致炉管超温甚至导致爆管[1]。奥氏体不锈钢管（如 HR3C、SUPER304、TP347HFG、TP347H、TP304） 和 铁 素 体 管 （ 如 T91、T23，G102、12Cr1MoVG）内壁氧化膜脱落均遵循这个机理。区别在于不锈钢管热膨胀系数较铁素体管材大，导致不锈钢管在温差变化时收缩应力更大，因此不锈钢管材外层氧化膜脱落厚度更小，根据权威院所研究表明：奥氏体不锈钢管外层生长到0.10mm毫米就出现脱落。
2、奥氏体不锈钢管检测方法及现场注意事项
2.1奥氏体不锈钢管氧化皮检测方法
由于奥氏体不锈钢管不导磁，而管内的氧化皮（氧化皮主要成分：大部分是Fe3
O4和少量Fe2O3）导磁，因此可采用磁通量检测原理的专用仪器进行检测。附图是我公司自主研发的便携式氧化皮检测仪，其检测灵敏度达1克，线性度良好，可准确判断管内氧化皮堆积状态。根据经验表明：堵塞管内径横面积达三分之一以上的管子建议割管清空处理，堵塞达三分之一以下可不处理，开机过程可以被蒸汽带走。2.2 奥氏体不锈钢管氧化皮检测原理
图1磁通量原理专用检测仪图
图2湘潭公司#3炉高过管堵塞超标管内窥镜检查图
检测原理的关键是探头能将氧化皮的磁信号转变成电信号输出至主机，仪器电磁信号转换原理为以下四步：
第一步：探头在不锈钢管两侧建立一个磁场E0；
第二步：管内氧化物磁化后产生磁场e；
第三步：e反作用于E0，使E0转变为E1；
第四步：由于存在变化量E2=E1-E0，因此探头中的线圈便产生电信号，再传送至主机放大滤波处理后显示。
2.3现场检测和割管处理过程注意事项
根据笔者多年多来对国内数十家电厂近百次的跟踪检测经验表明：要准确判断管内氧化皮堵塞状态，需要注意以下细节：
（1）检测探头与管子接触的角度很重要。同样堆积状态，探头接触弯头不同弧面的检测值不一样。正常情况是使探头接触管壁下弧面，但随着炉型不同，有些高温过热器的炉后弯管与管之间的间隙较小，探头无法接触到弯头正下弧面，往往只能检测弯头的侧下弧面，一定要注意此时弯头堆积同样多的氧化皮，其侧下弧面检测值会比正下弧面数值偏小，不能把此数据简单和正下弧面的检测值相比较。判断检测人员需理解和准确把握，否则易出现误判。
（2）奥氏体弯头可能有磁性，是因为运行过程受烟气作用氧化或者冷弯处理后奥氏体组织会产生相变，奥氏体母材中会出现部分具有磁性的马氏体组织[2]，此时检测时需反需对比，寻找规律，方可有效区分此干扰信号和内壁氧化皮堆积信号。
（3）氧化皮脱落存在无规律性。有时会出现大面积脱落，有时在闷炉缓冷后仍有个别氧化皮出现较严重堵塞，且很可能是温度测点反映未超温的区域，表明闷炉缓冷只能减轻氧化皮脱落的程度，但不能从根本上杜绝其脱落。因为氧化皮的生成脱落是一个综合环境影响结果，与运行温度、冷却速度、单根管内蒸汽流量偏差、单根管材晶粒度和抗氧化能力等内外部因素有关。
（4）割管清理过程需注意二次脱落。由于直管往往有十几米长，总有少量氧化皮附着在管内壁，割管把弯头处氧化皮取出前，需对管子进行充分振动，必要时采用专用清理设备伸入管子内壁进行搅动清理，使附着在直管段的氧化皮脱落后，再进行对口焊接。某电厂处理不彻底，在割管清理后复查时发现弯头内氧化皮仍超标，因此造成检修时间的浪费。
4、总结
1、切忌锅炉急启急停，因为不锈钢管热膨胀系数较大，管壁温度的急剧变化会加大管壁的收缩应力，当收缩应力大于内壁氧化膜的附着应力，就会使氧化膜外层Fe3O4发生剥离，造成堵塞。通过闷炉缓冷可减缓管内壁氧化皮的脱落程度，这是行业内一致认为防治氧化皮脱落的一种有效控制措施。
2、控制超温。运行温度是运行中影响氧化皮生长速度的主要因素，控制超温将有效减缓内壁氧化膜生长速度。有条件情况下适当增加高温受热面管屏的出口温度测点，在线监测运行过程中管壁温度变化情况。及时发现并控制超温，减缓管材劣化，减缓氧化皮生长速度。
3、谨慎控制加氧。加氧可以使超超临界锅炉水冷壁管壁生成钝化膜有利于水冷壁节流孔清洁及阻止氧化膜的生长，根据美国EPRI的环境破坏学说理论[3]，过量的氧将急剧加速氧化皮的大面积产生。经验表明加氧量超过50ug/L时，有可能出现大面积氧化皮脱落，因此需严格控制加氧量。
4、对于超（超）临界锅炉奥氏体不锈钢管氧化皮问题，建议按照各大集团公司的规定：对于已经出现氧化皮堵塞问题的机组根据“逢停必查”的原则对高温受热面不锈钢管弯头采用磁通量原理的方法全面检查，及时发现并清除下弯头部位堵塞超标的氧化物，从而降低启炉过程中的氧化皮剥落堵塞引起的爆管风险，避免巨大的经济损失。
参考文献
[1]贾建民等,18-8粗晶不锈钢内壁氧化皮大面积剥落防治对策[J]，中国电力，2008，41(5)，69-74；
[2]崔志光，刘红权，超临界锅炉受热面管内氧化皮的防治措施研究[J]，电力科学与环保，2014，4，56-57；
[3]徐洪，给水加氧处理引发蒸汽通道氧化皮剥落的机理[J]，动力工程学报，2011，31（9），672-676；