蔡暉，熊偉，唐麗英，殷尊

（1.西安熱工研究院有限公司，西安 710032；2.華能玉環(huán)電廠，浙江玉環(huán) 317600）

鍋爐給水加氧對(duì)奧氏體管汽側(cè)氧化皮形成及剝落的影響

蔡暉1，熊偉2，唐麗英1，殷尊1

（1.西安熱工研究院有限公司，西安 710032；2.華能玉環(huán)電廠，浙江玉環(huán) 317600）

對(duì)某電廠末級(jí)過熱器和再熱器鍋爐管在不同加氧方式下不同時(shí)間段的管樣進(jìn)行了管材顯微組織分析、晶粒度測(cè)量、內(nèi)壁氧化層金相分析、典型內(nèi)壁氧化層結(jié)構(gòu)的掃描式電子顯微鏡（SEM）和X射線能譜儀（EDS）分析。結(jié)果表明：給水加氧促進(jìn)了管子內(nèi)壁氧化層外層Fe2O3的形成；其中1臺(tái)鍋爐的末級(jí)再熱器管樣氧化程度最嚴(yán)重，內(nèi)壁無細(xì)晶帶的管樣比例偏高；內(nèi)壁未能形成均勻連續(xù)的富Cr層是其較早發(fā)生氧化皮集中剝落的主要原因之一，給水加氧是氧化層脫落的促進(jìn)因素。

鍋爐；加氧；內(nèi)壁氧化層；富Cr層；剝落

0 引言

奧氏體不銹鋼管以其良好的高溫性能和相對(duì)低廉的制造成本一直被作為電站超（超）臨界鍋爐過熱器和再熱器的首選材料，但其在高溫蒸汽環(huán)境中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的蒸汽氧化且氧化層大面積剝落，為了解給水加氧對(duì)內(nèi)壁氧化層剝落的影響和規(guī)律，對(duì)某電廠不同加氧方式下4臺(tái)鍋爐的TP347H管進(jìn)行了內(nèi)壁氧化層對(duì)比分析，主要研究加氧對(duì)于內(nèi)壁氧化層的形成和剝落的影響。

該電廠4×600MW超臨界機(jī)組鍋爐是北京巴威公司按美國B＆W公司SWUP系列鍋爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，過熱器出口蒸汽參數(shù)為25.40MPa／571℃，再熱器出口蒸汽參數(shù)為4.526MPa／569℃。末級(jí)過熱器位于折焰角上方，沿爐寬方向共有72屏，橫向節(jié)距為300mm，每屏分前后兩部分，共由10管圈并繞，把出口段管束夾在中間，材料為TP347H，T91，規(guī)格為?42mm×6.5mm。末級(jí)再熱器由進(jìn)口和出口2個(gè)管組組成，出口管組規(guī)格為?51mm×4mm，材料為TP347H，橫向節(jié)距為225mm，沿爐寬方向共有97屏，每屏由12管圈并繞，分前后兩部分，把出口段管束夾在中間。

1 機(jī)組給水處理方式

（1）＃1機(jī)組于2010年12月開始給水加氧，采用定向給水加氧方式，控制氧的質(zhì)量濃度在20～35 μg／L。加氧運(yùn)行后過熱器減溫水調(diào)閥無結(jié)垢現(xiàn)象。

（2）＃2，＃3機(jī)組未實(shí)施給水加氧，＃3鍋爐過熱器減溫水調(diào)閥結(jié)垢嚴(yán)重；＃2機(jī)組給水存在漏氧現(xiàn)象，過熱器減溫水調(diào)閥結(jié)垢情況略好于＃3鍋爐。

（3）＃4機(jī)組于2010年3月開始采用傳統(tǒng)給水加氧方式，即控制氧的質(zhì)量濃度在30～150μg／L。2011年2月，＃4鍋爐因氧化皮剝落堵管導(dǎo)致普遍割管，經(jīng)討論將氧的質(zhì)量濃度控制在30～50μg／L。加氧運(yùn)行后過熱器減溫水調(diào)閥無結(jié)垢現(xiàn)象。

2 氧化層剝落情況統(tǒng)計(jì)和取樣情況

末級(jí)過熱器和末級(jí)再熱器TP347H管內(nèi)壁氧化層脫落導(dǎo)致割管的情況統(tǒng)計(jì)見表1，由表中數(shù)據(jù)可知：＃1，＃2機(jī)組總體脫落數(shù)量大致相當(dāng)，＃3機(jī)組總體脫落數(shù)量較少，＃4機(jī)組因內(nèi)壁氧化皮脫落導(dǎo)致割管的數(shù)量明顯多于其他機(jī)組；末級(jí)再熱器管脫落數(shù)量明顯多于末級(jí)過熱器管。

共收集到過熱器和再熱器運(yùn)行管樣21根，材質(zhì)為TP347H，取樣情況見表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 內(nèi)壁氧化層金相組織

所有運(yùn)行管材的內(nèi)壁氧化層厚度及金相組織特征見表3，兩個(gè)典型形貌照片如圖1、圖2所示，可以總結(jié)出以下規(guī)律。

（1）TP347H管材中，＃1，＃2，＃3，＃4，＃5（迎煙側(cè)），＃10，＃11，＃12，＃13，＃14，＃15，＃16（背煙側(cè)），＃17，＃18，＃20，＃21共16根管氧化層某些部位為完整的雙層結(jié)構(gòu)；＃5背煙側(cè)，＃6，＃7，＃8，＃9，＃14雙側(cè)及＃16迎煙側(cè)均出現(xiàn)了氧化層原生外層剝落現(xiàn)象。

表1 TP347H管內(nèi)壁氧化皮脫落導(dǎo)致割管的情況統(tǒng)計(jì)

表2 取樣情況統(tǒng)計(jì)

表3 內(nèi)壁氧化層結(jié)構(gòu)、組分和形貌特征

續(xù)表

續(xù)表

圖1＃3管內(nèi)壁氧化層金相照片

圖2＃20管內(nèi)壁氧化層金相照片

（2）部分管子氧化層外層出現(xiàn)脫落，通常情況下不銹鋼氧化層內(nèi)層是不容易脫落的，內(nèi)層厚度基本可以反映氧化層的總體厚度水平。分析TP347H管迎煙側(cè)氧化層內(nèi)層平均厚度與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系可以得出：在不考慮管子實(shí)際運(yùn)行溫度以及晶粒度等的情況下，氧化層平均內(nèi)層厚度與運(yùn)行時(shí)間無明顯相關(guān)性，表明對(duì)氧化層厚度影響更大的因素可能是管子實(shí)際溫度以及管材本身的性質(zhì)。

（3）形態(tài)完整的內(nèi)壁氧化層中Fe2O3的含量（Fe2O3面積占氧化層外層總面積的百分比）見表4。由表4可以看出：＃3鍋爐的兩根管（末級(jí)過熱器和中溫過熱器）中Fe2O3極少或未見；＃1，＃2，＃4鍋爐的末級(jí)過熱器管子的氧化層外層中Fe2O3的含量均＞50%，而這幾臺(tái)鍋爐的末級(jí)再熱器管子氧化層外層中Fe2O3的含量都較低。表4的數(shù)據(jù)表明：一方面水中的溶解氧含量會(huì)影響Fe2O3的含量；另一方面，蒸汽壓力有促使Fe2O3形成的傾向；但＃1，＃2，＃4鍋爐的末級(jí)過熱器和末級(jí)再熱器氧化層外層中Fe2O3的含量并無顯著區(qū)別。

（4）部分TP347H管原生外層已經(jīng)脫落，＃9背煙側(cè)和＃16迎煙側(cè)原生外層脫落后尚無新生外層；＃5背煙側(cè)，＃6，＃7迎煙側(cè)，＃8，＃9迎煙側(cè)新生外層中Fe2O3的含量均占一半甚至一半以上（這些管樣均來自于＃4鍋爐）。

＃19取自＃1鍋爐，原生外層脫落后新生外層幾乎全部為Fe2O3。＃14部分區(qū)域的新生氧化物外層未見Fe2O3，該管段取自＃3鍋爐，說明水處理方式對(duì)氧化層脫落后的新生氧化層組分會(huì)產(chǎn)生比較大的影響，加氧的水處理方式導(dǎo)致新生外層以Fe2O3為主，結(jié)構(gòu)整體較為致密，而全揮發(fā)工況則可能使新生外層仍以Fe3O4為主。

表4 形態(tài)完整的內(nèi)壁氧化層中Fe2O3的含量

（5）＃1，＃18，＃19均取自＃1鍋爐末級(jí)過熱器第65屏第10根管，運(yùn)行時(shí)間分別為4.2萬，5.8萬和1.6萬h。＃3，＃20和＃21取自＃1鍋爐末級(jí)再熱器第77屏第6根管，＃21與＃3為同一根管繼續(xù)運(yùn)行1.6萬h后的試樣。由于管子背煙側(cè)氧化層厚度受煙氣偏差影響會(huì)低于向火側(cè)，因此末級(jí)過熱器管運(yùn)行4.2萬h（＃1）和5.8萬h（＃18）的管子氧化層厚度基本相當(dāng)，而運(yùn)行1.6萬h的管子（＃19）氧化層厚度明顯大于運(yùn)行時(shí)間較長的＃1和＃18。氧化層厚度與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系與奧氏體鋼常見的拋物線規(guī)律不符，其原因可能與之后的實(shí)際運(yùn)行溫度以及管材晶粒及其均勻性有關(guān)系。

3.2 管材晶粒度測(cè)量

對(duì)末級(jí)過熱器和末級(jí)再熱器13根TP347H管材進(jìn)行了晶粒度評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果見表5。由表5可見，兩根備品管的晶粒度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求（ASME SA 213—2010《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》規(guī)定TP347H的晶粒度為7級(jí)或更粗，GB／T 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》規(guī)定07Cr18Ni11Nb（相當(dāng)于TP347H）的晶粒度應(yīng)為4～7級(jí)）。運(yùn)行管晶粒度則大多很不均勻，除＃2，＃7，＃8，＃9整體晶粒度較為均勻，在內(nèi)壁氧化層附近晶粒度級(jí)別與常規(guī)粗晶奧氏體不銹鋼的要求一致以外，其余管子在內(nèi)壁附近均有一層厚度不等的細(xì)晶帶，晶粒度細(xì)于9級(jí)，典型形貌如圖3、圖4所示。

表5 管材晶粒度評(píng)級(jí)結(jié)果

續(xù)表

圖3＃3管微觀組織

圖4＃20管微觀組織

3.3 內(nèi)壁氧化層的微觀形貌及微區(qū)成分分析

各試樣內(nèi)壁氧化層的典型微觀組織掃描式電子顯微鏡（SEM）和X射線能譜儀（EDS）試驗(yàn)分析結(jié)果如圖5～圖7所示，根據(jù)氧化層內(nèi)層形貌特征可以將其分成3類。

（1）氧化層內(nèi)層較薄，厚度基本小于50μm，內(nèi)層晶粒特征不明顯，在內(nèi)層與基體的界面處（也是原奧氏體晶界）形成了連續(xù)的Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高（大于40%）的（Fe，Cr）3O4保護(hù)膜。代表樣品為＃1，＃4，＃10，＃18。

（2）氧化層內(nèi)層晶粒特征非常明顯，原奧氏體晶界位置Cr含量較高，而原晶粒內(nèi)部位置Cr含量偏低，在內(nèi)層與基體的界面處的Cr含量很高的（Fe，Cr）3O4保護(hù)膜不連續(xù)。典型代表樣品為＃3，＃5，＃6，＃10，＃12，＃13，＃19，＃20，＃21。＃11樣品形貌偏向該類，但內(nèi)層與基體界面處的富Cr帶比其他樣品連續(xù)性好一些。

圖5＃2試樣SEM分析結(jié)果

圖6＃10試樣SEM分析結(jié)果

圖7＃18試樣SEM分析結(jié)果

（3）氧化層內(nèi)層與基體金屬交界的位置以及原奧氏體晶粒晶界處絕大部分未見富Cr帶，內(nèi)層Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于30%，代表樣品為＃2，＃8，＃7和＃9，對(duì)應(yīng)于幾個(gè)無細(xì)晶帶樣品。

4 分析與討論

4.1 水處理方式對(duì)氧化皮形成和剝落的影響

與全揮發(fā)水處理工況相比，加氧（或漏氧）處理均會(huì)促進(jìn)Fe2O3的形成，使氧化層外層中Fe2O3含量增加；但是采用不同加氧方式或不同溶解氧含量的＃1，＃2，＃4鍋爐的末級(jí)過熱器和末級(jí)再熱器氧化皮外層的Fe2O3含量并未發(fā)現(xiàn)有明顯區(qū)別。

末級(jí)過熱器管的Fe2O3含量均明顯高于末級(jí)再熱器管，可能原因有兩個(gè)：蒸汽壓力增大有促使Fe2O3形成的傾向，其原因是蒸汽壓力增大導(dǎo)致氧分壓增加，從而促進(jìn)Fe2O3形成；蒸汽經(jīng)過過熱器及汽輪機(jī)高壓缸后才會(huì)進(jìn)入再熱器，在前路氧化過程中形成的氫聚集在蒸汽中，導(dǎo)致再熱器蒸汽中的氧分壓降低而氫分壓升高［5］。

水處理方式對(duì)氧化皮脫落后的新生氧化皮組分會(huì)產(chǎn)生比較大的影響，加氧（或漏氧）的水處理方式促使新生外層以Fe2O3為主，結(jié)構(gòu)整體較為致密，而全揮發(fā)工況則會(huì)使新生外層仍以Fe3O4為主。

總體上講，TP347H管子內(nèi)壁氧化層脫落存在一定的周期，某一時(shí)間段為集中剝落期，采用給水加氧可能會(huì)使氧化皮集中剝落的時(shí)間提前；＃4鍋爐在實(shí)施給水加氧方式時(shí)運(yùn)行時(shí)間已超過2萬h，內(nèi)壁氧化層已經(jīng)生長至比較厚的程度，此時(shí)采用給水加氧，會(huì)導(dǎo)致外層迅速生長出一層Fe2O3，影響氧化皮的應(yīng)力分布，從而促使氧化皮集中脫落。

4.2 加氧處理時(shí)機(jī)的選擇

給水加氧處理前應(yīng)充分評(píng)估受熱面管內(nèi)壁氧化皮狀態(tài)，合理選擇加氧時(shí)機(jī)。如果絕大部分管子內(nèi)壁氧化皮都很薄，則可以立即進(jìn)行加氧處理；如果管子內(nèi)壁的氧化皮相對(duì)較厚，則不適于立即進(jìn)行加氧處理，應(yīng)采取化學(xué)清洗措施或待氧化皮大面積剝落后再進(jìn)行加氧處理，以避免加氧后發(fā)生氧化皮的早期大面積剝落；如果大量管子內(nèi)壁的氧化皮已經(jīng)很厚，剝落風(fēng)險(xiǎn)非常大，電廠也計(jì)劃利用下次停爐檢修的機(jī)會(huì)促使其剝落以便集中清理，則可在停機(jī)前幾個(gè)月對(duì)其進(jìn)行加氧處理，以促進(jìn)氧化皮早期剝落。

合理選擇加氧時(shí)機(jī)并控制好加氧參數(shù)是防止氧化皮結(jié)構(gòu)快速轉(zhuǎn)變和降低氧化皮剝落風(fēng)險(xiǎn)的有效措施，在滿足水側(cè)系統(tǒng)部件防腐要求的前提下，盡可能降低給水中溶解氧的含量，使水中加入的溶解氧基本都消耗在水側(cè)系統(tǒng)部件上，以免對(duì)過熱器和再熱器氧化皮剝落產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

（1）運(yùn)行時(shí)間不是氧化層厚度的主要影響因素，更大的影響因素可能是管子實(shí)際溫度水平以及管材本身的抗氧化性能。

（2）加氧處理（或漏氧）均會(huì)促進(jìn)Fe2O3的形成，使氧化層外層中Fe2O3含量增加。

（3）過熱器管的Fe2O3含量均明顯高于再熱器管。

（4）水處理方式對(duì)氧化層脫落后的新生氧化層組分會(huì)產(chǎn)生比較大的影響，加氧（或漏氧）的水處理方式促使新生外層以Fe2O3為主，結(jié)構(gòu)整體較為致密，而全揮發(fā)工況則會(huì)使新生外層仍以Fe3O4為主。

（5）給水加氧是氧化層脫落的促進(jìn)因素。

（6）TP347H管內(nèi)壁氧化層脫落存在一定的周期，某一時(shí)間段為集中剝落期，采用給水加氧可能會(huì)使氧化皮集中剝落的時(shí)間提前。

（本文責(zé)編：劉芳）

TM 621.2

：A

：1674-1951（2015）05-0014-07

蔡暉（1973—），男，陜西西安人，研究員，從事電站設(shè)備檢驗(yàn)分析方面的工作（E-mail：caihui1999＠126.com）。

2014-10-13；

2015-01-12

華能660MW高效超超臨界機(jī)組應(yīng)用技術(shù)研究（TN-14-HNK01）