第42卷第8期
2013年8月
热力发电
V01．42No．8
THERMALPOWERGENERATl0NAug．2013
火电厂锅炉管内壁
氧化皮脱落风险预警系统研发与应用
孙
玺1，杜保华1，王大鹏1，赵晋松1，薛晗光1，王忠杰1，李崇晟1，马瑞瑞1，刘振宇1，李耀君1，孙靖初2，杜
1．西安热工研究院有限公司，陕西西安2．华能国际电力股份有限公司，北京
军2，王存胜2
710032
100031
[摘
要]为预防火电厂锅炉高温受热面管蒸汽侧氧化皮脱落堵塞，在对氧化皮脱落原因深入
分析的基础上，对ARMITT预测模型进行优化，确定模型关键参数，设计出可应用于实际工程的锅炉管氧化皮脱落预测模型。在此基础上，开发了基于B／S结构的火电厂锅炉管氧化皮脱落风险预警系统。应用结果表明，该系统预测结果与现场割管检测的结果基本吻合。该系统可用于锅炉管内壁氧化皮脱落倾向较大的机组，对脱落高风险区域进行预警，保证机组安全运行。
[关键词]锅炉；受热面管；氧化皮；应变；脱落风险；预警系统
x933．2
[中图分类号][文献标识码]A[文章编号]1002—33(2013)08一0090—04
[DoI编号]10．3969／i．issn．1002—33．2013．08．090
rOxidescaleDeVelopmentandapplicatiOnofriskwarningsystemfO
a¨ofboilertubesspaUingfrominnerw
SUNXil，DU
Baohual，WANGDapen91，ZHAOJinson91，XUEHanguan91，
ruil，LIUZhenyul，LI
WANGZhon西iel，LICuihongshen91，MAR
al1．Xi’anTherm
Yaojunl，
SUNJingchu2，DANGCunshen92UJun2，W
PowerResearchInstituteC。．，Ltd．，ChinaHuanengGroup，Xi’an7l0032，China
erInternational，Inc．，ChinaH2．HuanengPowuaneng
Group，Beljing100031，China
Abstract：TopreVenttubes，optimization
eters
sons
steamsideoxidespaUingandblockinginhightemperatureheatingsurfacetheARMITTpredictionmodelwasconducted
to
on
determinethekeyparam—
on
rea—
anddesignmodelforpredictingtheoxidespalling，onthebasisofin—depthanalysisofoxidespalling．Based
on
this，theB／S
structure
basedboilertubeinneroxidespa¨ingrisk
asdeVwarningsystemwedthat，elopedandappliedinseVeralpowerplants．Theapplicationshow
thesystemwiththeinspectionresultarningresultsbasicallyagreedwusedforboilerswithlargeoxidespallingtendency，warnthehighrisk
sure
on
site．Thissystem
can
be
en—
area
ofboilertubeand
thesafeoperationoftheunit．
Keywords：boiler；heatingsurfacetube；oxide；strain；spallingrisk；warningsystem
近年来，1Crl8Ni9Ti、12X18H12T、TP304H、TP347H、TP316H等18—8系列粗晶奥氏体不锈钢
在超临界和超超临界机组锅炉的过热器、再热器上被广泛应用。这些材质的高温锅炉管在运行过程中
基金项目：中国华能集团公司科学技术项目(HNKJ09一G09)
作者简介：孙玺(1977一)，男，硕士，工程师，主要从事火电厂设备风险评估、状态评估和信息化技术研究。
量I．mail：
sunxi@tp“．com．cn
第8期孙玺等火电厂锅炉管内壁氧化皮脱落风险预警系统研发与应用
其蒸汽侧易产生氧化皮，在氧化皮存储的应变能达到或超过裂纹沿氧化物／金属界面开裂所需的能量时，氧化皮将发生脱落，严重时对机组安全经济运行产生极大的威胁。对于氧化皮的脱落预测，国内外科研机构做了很多研究Ll。5J。其中1978年AR—MITT等提出了应用ARMITT图进行氧化皮脱落预测的方法[6]，目前该方法已经用于锅炉管清洗和寿命评估的辅助决策中[7]。但是，该模型对于应变计算只考虑温度缓慢变化造成的应变，未考虑温度波动速率较大及炉管内外壁温差等因素的影响，预测的误差较大。本文基于大量工程实例研究，结合国内外最新研究成果，对ARMITT方法进行了优化，提出了可用于工程实际的氧化皮脱落预测模型。
却，将显著增加氧化皮脱落的倾向[9]。
综上，氧化皮的累积应变为：
e一(￡l+e2+e3)一￡4
式中：e。为机组快速启、停或大量投用减温水时造成锅炉管较大温度变化速率所引起的应变；￡2为机组缓慢启、停时，由于氧化皮和基体金属物理性能差异引起的应变恕为稳定运行时炉管内外壁温差所致的应变；￡4为氧化物蠕变所造成的应变。1．2氧化皮生长厚度
20世纪90年代以来，美国电力科学研究院(EPRI)、英国国家物理实验室(NPL)、日本、丹麦、德国、中国等均对氧化皮生长动力学特征进行了大量研究。其中，EPRI研究报告表明，不锈钢的氧化速率遵循抛物线规律，其氧化速率随温度升高和压力的增加而变快[1…。Kan等测量了日本某锅炉(蒸汽参数571℃／19MPa)服役57
000
1模型关键参数
1．1氧化皮应变
锅炉管内壁氧化皮中的应变来源主要有：(1)金属转变为氧化物，其体积的增加会导致氧化皮中产生应变，且随着氧化皮厚度的增加而增加‘7I。
(2)氧化物与基体金属以及不同结构类型氧化物(如Fe：O。、Fe。O。和尖晶石结构内层氧化物)之间的热膨胀系数(CTE)不同将导致应变。部分钢材和氧化物热膨胀系数的差异见图1¨]，由图1可见，在T22上的Fe。O。氧化层，加热时被赋予压应力，冷却时被赋予拉应力；在300系列不锈钢上的氧化物则与其相反。基体金属与其表面形成的氧化皮以及氧化皮各层间的热膨胀系数差值越大，则氧化皮剥落的倾向越大[8]。
(×10。5)
h，材质为
321H、347H和Super304H的过热器和再热器管氧化皮内层的生长情况(图2)，表明氧化皮生长动力学曲线符合抛物线规律u1I。王正品等研究了TP304H和TP347H在不同温度下水蒸气的氧化情况，结果表明在560、590、620、650℃下TP347H和TP304H钢的氧化动力学曲线均遵循抛物线规律‘12]。
暑
i
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l
图2Fi{；．2
某锅炉过热器／再热器氧化皮厚度生长情况
gmwth
on
0xide
superh翰ter／reh船tertub鹤of
aboiler
因此，本文采用下式来表征不锈钢的氧化生长
图1
Fig．1
合金及其氧化物的热膨胀系数随温度的变化
VariationofthealIoysandoxides
动力学：
d(d。。)／d(f)一K。／d。。
thermaIexpansioncOefficientsof
against
the
temperature
d：。一2×K。×f
式中，d。。为氧化皮厚度，￡为运行时间，K。为与温度相关的比例常
。
(3)锅炉管的继生载荷、振动或冲击所引起的外界应力。如机组频繁启、停，尤其是停炉时的快速冷
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92
热力发电
2013年
2模型建立
优化的氧化皮脱落模型如图3所示，其氧化皮脱落的临界曲线计算公式为：
f
落风险级别。对于高风险炉管，给出风险报警和检修建议。
(2)能够查询炉管氧化皮脱落风险的历史，分析炉管氧化皮脱落风险的发展趋势。
(3)提供系统评估所需设备的相关数据，包括设备的尺寸、材质、运行时间、氧化皮初始壁厚等，并对设备的维修、更换等及时进行更新提示。
(4)分析炉管平均温度的变化趋势和波动情况。
8c一五
式中，e。为氧化皮脱落临界应变，c为和材料类别、炉管规格相关的常数，d。为氧化皮临界厚度。当氧化皮厚度和应变值位于图3虚线区域时表示安全；当位于虚线以外区域时则氧化皮有可能发生脱落；所落点离安全区越远其脱落风险则越高。
应变￡
．雪曼量量
!I≥芦；篡氧化皮
／
图3优化的氧化皮脱落预测模型
Fig．3
，7安釜区／7，，_—_>剥落
。＼～
f
厚度d
图4在线监测系统网络架构
Fig．4
Networkarchitecture
oftheonlinemOnitoringsystem
TheoptimodelizedOxidespaIlingforec骶tm
4预警系统应用
开发的高温受热面氧化皮脱落风险预警系统已在华能玉环电厂、太仓电厂和国华宁海电厂应用。图5为某电厂6号超超临界1
oOO
3预警系统开发
采用设计的氧化皮脱落模型，实时获取炉管壁温数据，结合材料的性能、管径等基础信息，不间断计算多种运行条件下氧化皮的应变及厚度，评估氧化皮脱落的风险，形成氧化皮脱落预警系统。该系统部署于电厂MIS网，其网络架构如图4所示。
(1)通过实时监测炉管温度，计算每根炉管的氧化皮内部应变和生长厚度，实时判断炉管氧化皮脱
Mw机组预警系
统的运行界面。经过一段时间的运行，系统提示该机组三级过热器和二级再热器个别炉管存在较高的氧化皮脱落风险。经离线磁性检测仪检测发现该区域过热器氧化皮脱落，割管称重氧化皮重达10～
30
g，表明预测结果与现场离线检测结果基本吻合。
图5
Fig．5
氧化皮脱落风险预测界面
RiskpredictionoftheoxidespaIling
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第8期孙玺等
火电厂锅炉管内壁氧化皮脱落风险预警系统研发与应用
93
5
结论
基于氧化物堆积的寿命评估[J]，热力发电，2011，
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based
on
通过对火电厂锅炉高温受热面蒸汽侧氧化皮脱落原因的分析，基于ARMITT方法设计了优化的氧化皮脱落模型，并构建了1套B／S结构的锅炉高温受热面氧化皮脱落风险预警系统。该系统在国内多家电厂使用的结果表明，预测结果和现场离线检测结果基本吻合。该氧化皮脱落风险预警系统可用于锅炉管内壁氧化皮脱落倾向较大的机组，可对氧化皮脱落风险高的受热面管提出预警，给出处理对策，预防机组因氧化皮脱落而导致超温爆管。
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