蘇建芳 張宗彬
(河南華電金源管道有限公司 河南鄭州 450000)
電站鍋爐關鍵部件材料高溫蒸汽氧化研究進展
蘇建芳 張宗彬
(河南華電金源管道有限公司 河南鄭州 450000)
受到特殊服役環(huán)境影響,對于電站鍋爐來說,應具備良好的關鍵材料特性。一方面,應符合力學性能需要。另一方面,應具備耐高溫腐蝕性。只有這樣,鍋爐機組運行過程中,才能實現更加安全,才能更加可靠,凸顯出經濟性特點。本文針對鍋爐合金材料進行相關分析,就高溫蒸汽氧化方面予以一定闡述。
電站鍋爐;關鍵部件;材料;高溫蒸汽;氧化;研究進展
對于電站鍋爐來說,需要科學控制關鍵部件材料。所謂關鍵部件,通常包括高壓鍋爐管件,相關主蒸汽管道,同時還包括集箱管道等。對于這些部件,高溫蒸汽氧化下,從性能要求方面來說保持較為一致?,F階段,由于受到氧化層隔熱方面影響,容易導致金屬超溫現象,同時可能引起氧化皮脫落。一旦堵塞彎頭等部位,容易導致超溫爆管現象。而對于已經出現脫落氧化物顆粒,容易造成汽輪機沖蝕。機組運行過程中,無論是安全性方面,還是經濟性方面,普遍遭受嚴重影響。
在鍋爐關鍵材料中,低合金鋼屬于重要組成部分。從低合金鋼物理化學性質來說,Cr含量通常不會超過3%的要求。對于該類鋼來說,無論是力學性能方面,還是耐腐蝕性能方面,普遍較為有限[1]。因而一般在應用過程中,蒸汽溫度不能過高,需要不超過560℃。對于此種規(guī)格鍋爐管道,才能相對較為適用。比方說,水冷壁管道,或者低級過熱器管道。
研究表明,對于低合金鋼結構來說,位于鍋爐蒸汽側部位,一旦產生氧化作用,其氧化層結構方面,一般屬于多層結構。如果溫度不超過570℃,關于生成氧化膜從組分方面來說,主要包括氧化鐵以及氧化鉻。而氧化物內層如果存在鉻元素以及鍶元素,能夠充分起到減緩氧化的作用[2]。如果溫度超過570℃,氧化膜還會包括氧化亞鐵。而對于氧化亞鐵來說,一般位于最內層,同時具備不致密特點。因而對于整個氧化膜來說,穩(wěn)定性容易遭到破壞,造成氧化膜脫落現象?;谘趸瘎恿W角度來看,同樣有所體現。研究證明,對于低合金鋼來說,蒸汽氧化階段,從動力學曲線方面進行分析,發(fā)現與線性規(guī)律較為接近。然而,Cr含量一旦出現加大,其抗氧化性能方面,也會得到較為明顯的提升。
針對低合金鋼的性質,鍋爐設計開展過程中,通常不被當成最高部件。基于此,低合金鋼關注過程中,一般更多考慮成本或者加工方面。雖然從原理上講,加大Cr元素含量,能夠在一定程度上促進抗氧化性。然而,應充分考慮成本角度,基于這個角度,我們才能予以科學的合金選型。
與低合金鋼進行比較,9~12%鉻鋼物理化學性質方面,明顯存在更加優(yōu)良的熱強性,同時耐腐蝕能力方面,非常良好。在過熱器管道,蒸汽管道等方面,具有一定程度應用。然而,對于蒸汽側來說,容易產生氧化層脫落現象,因而在一定程度上限制了其運用。
9~12%鉻鋼來說,介于一定使用溫度內,一旦出現溫度變化,合金抗氧化方面,性能優(yōu)劣容易遭受影響[3]。研究表明,抗蒸汽氧化水平方面,隨著溫度不斷發(fā)生變化,明顯發(fā)生類似于鐘形的規(guī)律特點。如果溫度介于600~700℃范圍之內,此時難以產生保護性氧化膜結構。如果溫度大于700℃,但是沒有達到800℃,此時就會出現保護性氧化膜結構,但是氧化速率普遍不高。一旦溫度開始逐漸升高,由于合金內部鉻元素不足,容易造成氧化膜保護性降低。
研究表明,通過改變使用溫度,氧化膜結構性質同樣容易改變。一般來說,氧化皮主要包括兩層,氧化皮最外層來說,屬于含鐵氧化產物。而氧化層內層含有一定鉻元素。在內外層界面部位,通常容易出現孔洞。研究表明,溫度位于650℃條件下,氧化膜外層一般包括三氧化二鐵以及四氧化三鐵。而對于內層來說,通常主要成分包括氧化鉻[4]。溫度位于800℃條件下,對于氧化膜外層來說,主要成分包括氧化鉻。對于內層來說,主要成分包括三氧化二鉻。
概括來說,9~12%鉻鋼本身性質方面,高溫蒸汽氧化下,抵抗能力存在一定不足?,F階段,諸多研究表明,借助于改善合金成分,能夠充分實現抗氧化性增強,蒸汽環(huán)境條件下,如果溫度位于650℃左右,抗氧化性能方面來說,能夠實現顯著提高。
關于奧氏體鋼,普遍存在熱強性高的特點,同時抗氧化性能方面,普遍較為優(yōu)良。在使用溫度方面,能夠一直加大到650℃左右。現階段,對于超超臨界機組,屬于首選材料。對于奧氏體鋼來說,鉻元素含量較高,因而合金從性質方面來說,抗蒸汽氧化水平得到較為有效提高。然而,合金內部結構中,耐蝕元素含量存在差異,晶粒度方面,同樣有所不同,因而對于此類合金來說,抗蒸汽氧化水平具有一定不同。
TP304H從性質方面來說,高溫蒸汽氧化過程中,容易出現雙層氧化膜結構。對于外層來說,主要包括鐵氧化物,易形成脫落。而對于其致密內層,普遍含有較為豐富的鉻元素[5]。一旦服役時間過長,對于外層來說,容易產生大面積剝落現象。經過我國賈建民等教授研究,通過表面噴丸作用,能夠充分實現錯密度提高。與此同時,鉻元素擴散通道得到有效加大。氧化膜層結構內部,鉻元素濃度能夠得到充分提高。然而,通過進行噴丸處理,影響程度究竟如何,噴丸強度是一大關鍵,氧化溫度同樣較為重要。在特殊熱加工下,借助于細化晶粒措施,同樣能夠實現性能增強。
對于奧氏體鋼來說,通過提高其鉻元素含量,同樣能夠實現性能增強。經過研究,對于氧化層結構來說,運行時間一旦持續(xù)加大,從氧化進程方面來說,就會容易達到停滯狀態(tài)。在初期產生的三氧化二鉻膜作用下,鋼氧化速率容易出現下降。
關于高溫合金,明顯存在更強大高溫強度特性。從合金成分方面來說,包括鎳元素以及鈷元素,因而使其具備一定耐蝕能力。對于此類合金而言,鉻元素含量普遍較高,通常超過20%。由于鉻元素含量足夠高,因而位于合金表面,單層三氧化二鉻膜實現有效生長。根據氧化膜成分,通常主要包括三氧化二鉻。從合金元素組成方面來看,同樣仍然夾雜氧化鉻。然而,對于合金內部來說,一旦出現鉻元素含量較低,氧化膜構成方面,同樣容易引起改變。
對于鉻元素來說,雖然屬于抗氧化能力較為重要因素,然而對于高溫合金來說,元素體系較為復雜,因而合金結構內部,其他元素同樣容易造成影響,我們同樣不容忽視。研究表明,針對合金內部,通過進行少量鍶元素添加,可以充分實現二氧化鍶生成。鉻離子擴散作用,能夠得到一定阻礙。而針對合金內部來說,通過添加適量鋁元素,合金抗腐蝕方面,能夠實現有效提高。
本文針對鍋爐合金材料進行相關分析,就高溫蒸汽氧化方面予以一定闡述。對于電站鍋爐來說,關鍵材料方面,應該不僅符合力學性能規(guī)范,而且具備良好抗高溫腐蝕特點。只有這樣,機組運行過程中,才能真正實現更加安全,滿足可靠性要求,同時具備經濟學特點。
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