唐家志，紀冬梅，孫家啟

(上海電力學(xué)院能源與機械工程學(xué)院，上海 200090)

0 引言

爐管是火電廠鍋爐的主要構(gòu)件，長期在煙氣、高溫、飛灰等惡劣條件下運行，表面會生成一定厚度的氧化膜。對鍋爐再熱器管的腐蝕研究發(fā)現(xiàn)，爐管在高溫蒸汽環(huán)境下，氧化產(chǎn)物由外層和內(nèi)層兩部分組成［1］。

氧化膜的生成會使爐管壁厚減薄，增加環(huán)向應(yīng)力，發(fā)生蠕變斷裂［2］。氧化膜的導(dǎo)熱系數(shù)比管壁導(dǎo)熱系數(shù)小，使爐管換熱性能變差，平均壁溫上升，溫升可達到30 K甚至更高［3］。管壁溫度同時是影響氧化速率的重要因素，管壁溫升造成氧化—升溫—快速氧化—超溫的惡性循環(huán)，內(nèi)壁脫落的氧化膜進入彎管還可能導(dǎo)致爆管。目前，高溫蒸汽氧化皮的剝落、堆積等離線檢測技術(shù)已經(jīng)取得一定的進步，但在高溫蒸汽氧化和向火側(cè)煙氣高溫腐蝕、積灰磨損在線檢測技術(shù)等方面還需要努力［4］。

趙志淵等［5－6］基于實際運行參數(shù)和換熱狀況，利用數(shù)值模擬研究蒸汽側(cè)氧化膜與管道溫度的關(guān)系;黃鑫［7］利用氧化膜厚度計算爐管剩余壽命;馮偉忠［8］對超臨界發(fā)電機組因蒸汽側(cè)管道的氧化和固體顆粒(SPE)對渦輪葉片的侵蝕等產(chǎn)生的原因進行了探討。

目前，國內(nèi)對氧化膜的研究主要集中在蒸汽側(cè)，對向火側(cè)氧化膜與爐管溫度間的關(guān)系討論較少。隨著蒸汽參數(shù)的增長，爐管煙氣腐蝕已經(jīng)成為制約提高電廠熱效率的重要因素［9］，文中利用爐管參數(shù)化模型和數(shù)值分析軟件，分析氧化膜厚度對管壁溫度的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 模型假設(shè)

模擬氧化膜和基體溫度場時，對模型作如下假設(shè)［5］:

(1)熱量通過爐管從煙氣到蒸汽的傳熱過程是穩(wěn)態(tài)傳熱;

(2)隨著爐管發(fā)生蒸汽氧化和高溫腐蝕，爐管沒有缺陷產(chǎn)生;

(3)氧化膜的生長無剝落現(xiàn)象發(fā)生;

(4)管壁在初始時刻無氧化膜存在;

(5)在運行中爐管管內(nèi)蒸汽溫度和管外煙氣溫度保持常數(shù);

(6)爐管基體和氧化膜都是彈性、連續(xù)且各向同性;

(7)傳熱過程符合能量守恒定律。

1.2 傳熱參數(shù)

T22鋼的化學(xué)成分見表1［10］。T22鋼屬于低合金鋼，Cr含量小于3%，主要用于蒸汽溫度低于560℃的鍋爐管道，如低級過/再熱器、水冷壁等。Cr含量是金屬材料合金表面形成穩(wěn)定、致密保護性氧化膜的關(guān)鍵，低合金鋼由于較低的Cr含量，不具有抗高溫蒸汽氧化的能力，幾乎不存在氧化皮穩(wěn)定保護期［11］。

表1 T22鋼的化學(xué)成分 %

T22鋼氧化膜在低于570℃時，生成的蒸汽側(cè)氧化膜由Fe2O3和(Fe，Cr)3O4組成，內(nèi)層含Cr和Si的氧化物可以減緩進一步氧化;在570℃以上，氧化膜由 Fe2O3，F(xiàn)e3O4和 FeO3層組成，F(xiàn)eO 在最內(nèi)層且不致密，破壞了整個氧化膜的穩(wěn)定性，氧化膜易于脫落［12］。

圖1 幾何模型

爐管煙側(cè)腐蝕中硫酸鹽型高溫腐蝕占重要部分，鍋爐的燃煤中含有大量的堿金屬元素和硫元素，它們經(jīng)過燃燒后形成的硫酸鹽、焦硫酸鹽、三硫酸鐵鈉等復(fù)合硫酸鹽附著于管壁，當(dāng)爐管溫度達到沉積鹽熔點時，復(fù)合硫酸鹽就會發(fā)生熔融，破壞管壁表面的Fe2O3氧化膜，對爐管造成腐燭［13］。為計算方便，將蒸汽側(cè)和向火側(cè)氧化膜視為單一Fe3O4成分。

圖1示出爐管內(nèi)外壁附有氧化膜的幾何模型，模型1只考慮蒸汽側(cè)氧化膜，模型2增加了向火側(cè)氧化膜。

爐管的幾何參數(shù)、蒸汽與煙氣的物理性質(zhì)見表2［14］。T22鋼對應(yīng)氧化膜厚度和時間、溫度的Larson － Miller公式如下［14］:

式中 X——氧化膜厚度，mm

P——LMP 參數(shù)

T——管壁平均溫度，℃

C——材料參數(shù)，C=20

t——爐管運行時間，h

表2 計算參數(shù)

2 模擬過程

根據(jù)圖1的幾何模型，在有限元軟件中設(shè)定為二維軸對稱模型。模型1(見圖1(a))計算區(qū)域分成蒸汽氧化膜和基體兩部分;模型2(見圖1(b))計算區(qū)域分成蒸汽氧化膜、基體和向火側(cè)氧化膜三部分。由式(1)，(2)可以看出，某運行時刻氧化膜厚度與氧化膜－基體界面溫度有關(guān)。以模型1為例，假設(shè)t時刻蒸汽氧化膜－基體界面溫度T，結(jié)合Larson－Miller公式可以得到t時刻氧化膜厚度X，運用有限元軟件模擬計算出氧化膜－基體界面溫度Tm。如果Tm=T，即得到t時刻的蒸汽氧化膜厚度。利用參數(shù)化語言對計算過程進行建模，計算邏輯關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 計算邏輯關(guān)系圖

Yeo等［2］的研究顯示，在氧化膜的生長初期爐管溫度梯度變化很大，氧化膜－基體界面溫度是確定氧化膜厚度的重要參數(shù)，初始時間步長對模擬結(jié)果精確度有很大影響。為提高模擬結(jié)果精確度，在初始時刻應(yīng)縮小時間步長，模擬時間步長見表3。

表3 模擬計算時間步長

在模型兩邊施加第一類邊界條件，網(wǎng)格采用四邊形單元，網(wǎng)格大小根據(jù)氧化膜厚度確定。圖3示出模型1在10000 h時的有限元模型網(wǎng)格劃分圖。

圖3 爐管網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果分析

通過對爐管進行數(shù)值分析，得到了氧化膜厚度與溫度、時間的關(guān)系。圖4示出兩種爐管的溫度和溫差變化。

從圖4(a)可以看出，模型1和模型2的蒸汽－氧化膜界面溫度相差很小，隨著時間增加趨于相等。這是由于管內(nèi)較低溫度蒸汽的沖刷，使得蒸汽－氧化膜界面溫度變化較小。模型1蒸汽－氧化膜和基體－向火界面溫度與模型2中蒸汽－氧化膜和基體－向火氧化膜界面溫度隨時間增加變大，在初始時間溫度增加呈拋物線，一段時間后呈線性。說明蒸汽氧化膜能使得爐管管壁平均溫度升高，增加熱應(yīng)力和蠕變應(yīng)力。

由圖4(b)可以看出，模型2由基體引起的溫差大于模型1，說明向火側(cè)氧化膜的存在會使爐管平均溫度升高，增加管壁溫度應(yīng)力，使爐管過早失效。

圖4 爐管的溫度、溫差變化示意

圖5示出氧化膜厚度隨時間的增長曲線?？梢钥闯?，氧化膜在初始時段快速增長后生長速率趨于穩(wěn)定，模型1和模型2的蒸汽側(cè)氧化膜厚度相差很小，說明向火側(cè)氧化膜的生長對蒸汽側(cè)氧化膜影響不大。模型2向火側(cè)氧化膜生長速率大于蒸汽側(cè)氧化膜，這是由于向火側(cè)氧化膜－基體界面平均溫度大于蒸汽氧化膜－基體界面平均溫度所致。某電廠爐管失效案例也顯示爐管向火側(cè)氧化膜厚度大于蒸汽側(cè)氧化膜［15］。

圖6示出氧化膜厚度增加時對溫度的影響情況，可以看出，氧化膜厚度與其界面溫度呈近似線性關(guān)系。圖中向火氧化膜的溫度變化斜率大于蒸汽氧化膜的溫度變化斜率，這使得向火氧化膜生長速率更快。當(dāng)爐管向火氧化膜增長到臨界厚度發(fā)生脫落，隨后會開始新的加速腐蝕循環(huán)，縮短爆管時間。

圖5 氧化膜厚度增長曲線

圖6 氧化膜厚度對溫度的影響曲線

4 結(jié)論

(1)向火側(cè)氧化膜的生長對蒸汽氧化膜的厚度和其兩側(cè)溫度影響很小，對爐管基體平均溫度和爐管外壁溫度影響較大，使T22爐管平均工作溫度升高，導(dǎo)致管道熱應(yīng)力和蠕變應(yīng)力增加，減少爐管壽命，使管道提早失效。

(2)向火側(cè)氧化膜和蒸汽側(cè)氧化膜厚度變化與溫度近似呈線性關(guān)系，前者的厚度變化斜率大于后者。這使得向火側(cè)氧化膜厚度大于蒸汽氧化膜，當(dāng)氧化膜增長到臨界厚度發(fā)生脫落時，會形成新的循環(huán)，加速腐蝕爐管。

(3)傳統(tǒng)以測定內(nèi)壁氧化膜厚度的爐管壽命預(yù)測方法，未考慮向火側(cè)氧化膜對壽命的影響，與實際壽命有偏差。向火側(cè)氧化膜會導(dǎo)致爐管超溫和腐蝕，對爐管壽命的影響不可忽視。

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