要：隨著電力行業(yè)技術(shù)發(fā)展，我國火力發(fā)電已經(jīng)進入超臨界壓力時代。鍋爐出口蒸汽壓力和溫度的提高，帶來了因高溫蒸汽氧化形成氧化皮，進而影響鍋爐安全運行的新問題，這就對受熱面管材高溫段的耐氧化、耐腐蝕性提出了更高的要求?，F(xiàn)對超臨界燃煤鍋爐高溫受熱面常用管材和噴丸處理工藝進行對比分析，并提出相應(yīng)的選用建議。

關(guān)鍵詞：高溫受熱面;氧化皮;管材;噴丸

0 引言

燃煤火力發(fā)電機組經(jīng)歷了低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界、超（超）臨界的發(fā)展過程，不斷往大容量、高參數(shù)技術(shù)方向發(fā)展，提高了機組效率，實現(xiàn)了節(jié)能降耗，同時也給鍋爐高溫受熱面金屬材質(zhì)帶來了新的考驗。本文對超臨界機組燃煤鍋爐高溫受熱面選用的主要管材進行了介紹，研究分析了氧化皮的產(chǎn)生機理和危害，介紹了噴丸技術(shù)并對比了兩種管材噴丸處理后的結(jié)果，最后提出了超臨界機組燃煤鍋爐高溫受熱面管材的選用建議。

1 幾種常用的高溫受熱面管材

在22.115 MPa和374.15 ℃這個壓力和溫度時，水和蒸汽轉(zhuǎn)化的汽化潛熱等于零，并以單相、連續(xù)的形式變成蒸汽，稱為水的臨界點，爐內(nèi)工質(zhì)壓力大于這個壓力和溫度的鍋爐就是超臨界鍋爐。目前常規(guī)超臨界燃煤鍋爐的主汽和過熱器壓力設(shè)計超過25 MPa，溫度設(shè)計為571 ℃左右。在此壓力和溫度下，超臨界燃煤鍋爐高溫受熱面常用的管材有珠光體鋼（12Cr1MoV）、鐵素體鋼（T22、T23、T91）和奧氏體不銹鋼（TP347H、TP347HFG、Super304H）[1]。

1.1? ? 高溫受熱面

超臨界燃煤鍋爐的高溫受熱面主要包括屏式過熱器、后屏過熱器、末級過熱器和高溫再熱器。以鍋爐廠超臨界、一次再熱、π型直流煤粉爐為例，金屬壁溫區(qū)間在590～640 ℃。超臨界燃煤鍋爐具體位置與壁溫如表1所示。

1.2? ? 高溫受熱面管材常用材質(zhì)簡介

（1）珠光體鋼，又稱珠光體熱強鋼或珠光體耐熱鋼。這類鋼是在正火狀態(tài)下，具有珠光體和鐵素體顯微組織的鋼。該鋼種合金元素含量少，工藝性能好。

（2）鐵素體鋼，是指含鉻大于14%的低碳鉻不銹鋼，含鉻大于27%的任何含碳量的鉻不銹鋼。鐵素體不銹鋼的含鉻量高，耐腐蝕性能與抗氧化性能均比較好，但機械性能與工藝性能較差，因此，多用于受力不大的耐酸結(jié)構(gòu)及作為抗氧化鋼使用。

（3）奧氏體不銹鋼，是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。當(dāng)鋼中含Cr約18%、Ni 8%～25%、C約0.1%時，此種鋼具有穩(wěn)定的奧氏體組織。

1.3? ? 高溫受熱面管材材質(zhì)和適用范圍[2]

各管材材質(zhì)和適用溫度如表2所示。

2 氧化皮問題

2.1? ? 產(chǎn)生機理

在鋼管材中添加鉻元素（Cr）能夠提高耐腐蝕性和抗蒸汽氧化性，改善和提高鋼管材性能。鋼管材常溫下會形成一層Cr2O3薄膜，因其結(jié)構(gòu)致密，附著在不銹鋼內(nèi)表面，可起到保護作用，阻止鋼管材被繼續(xù)氧化。

水蒸氣在氧化金屬的過程中形成氧化層，當(dāng)蒸汽溫度超過570 ℃時，氧化層由內(nèi)而外依次由FeO、Fe2O3和Fe3O4組成，同時釋放氫氣，進一步促進氧化層的生長和剝落。氧化層分布如圖1所示。

3Fe+4H2O（g）=Fe3O4+4H2

2.2? ? 脫落原因

氧化層之間、氧化層與管材之間膨脹系數(shù)有較大差異，在氧化層厚度達到臨界值或氧化層與管材之間應(yīng)力達到臨界值時會產(chǎn)生氧化皮脫落。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，超臨界機組過熱器、再熱器內(nèi)壁的粗晶奧氏體不銹鋼管氧化皮在運行10 000～15 000 h后出現(xiàn)脫落，超溫運行和壁溫變化率過快會加速該現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.3? ? 危害

（1）氧化皮過早脫落，在高溫受熱面管材彎頭處堆積堵塞，造成管壁超溫甚至爆管問題，如圖2所示。

（2）脫落的氧化物顆粒隨蒸汽進入汽輪機高壓缸，會引起汽輪機前級葉片和噴嘴侵蝕及汽門卡澀，危及運行安全。汽輪機高壓缸葉片侵蝕情況如圖3所示。

3 噴丸處理

3.1? ? 噴丸技術(shù)原理

為了減緩奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁高溫蒸汽的氧化腐蝕，將高速彈丸噴射到超臨界鍋爐受熱面管材內(nèi)壁表面，使其表面發(fā)生塑性變形，形成應(yīng)變層。在高溫蒸汽氧化的初期，噴丸后的奧氏體不銹鋼管Cr元素會更加快速、密集地形成Cr2O3氧化層，堵塞鐵元素的擴散，提高鋼管內(nèi)壁蒸汽抗氧化的性能。

3.2? ? 噴丸工藝流程

（1）鋼丸經(jīng)輸送提升至一定高度的儲丸倉分篩控制粒度注入移動式噴丸機。

（2）常壓下的空氣經(jīng)壓縮機增壓，經(jīng)儲氣缸內(nèi)穩(wěn)壓、冷干機的水和氣以及氣和油的過濾，使?jié)崈舾稍锏母邏嚎諝庠趪娡铏C中與鋼丸會合處于待噴狀態(tài)。

（3）待噴鋼管經(jīng)輥道推入工位，鋼管首尾兩端的外表面與鋼丸前后置密封倉口連接組成噴丸工作室。

（4）噴丸機向前移動使噴槍的噴嘴定位在頭部外端面的前置密封倉內(nèi)。

（5）開啟噴丸機鋼丸控制閥，使高速彈丸經(jīng)噴槍的噴嘴噴射到鋼管內(nèi)壁表面，在噴丸機拖動噴槍的回抽運動中，對鋼管整長施以鋼管內(nèi)壁噴丸強化處理。

（6）已噴鋼管脫離工位經(jīng)輥道推入成品待驗倉位。

3.3? ? 鋼管噴丸技術(shù)要求

根據(jù)《奧氏體不銹鋼鍋爐管內(nèi)壁噴丸層質(zhì)量檢驗及驗收技術(shù)條件》（DL/T 1603—2016），噴丸表面應(yīng)潔凈、無銹蝕或殘留附著物;有效噴丸層深度，金相法測量應(yīng)不小于70 μm，硬度曲線法測量應(yīng)不小于60 μm;在噴丸管同一橫截面距離內(nèi)壁表面60 μm深度處，沿時鐘方向3時、6時、9時、12時四個位置測得的硬度值與基體金屬硬度值相比較的增加值應(yīng)不小于100HV0.5，且四個位置硬度值間的差值不大于50HV0.5。

3.4? ? 兩種奧氏體不銹鋼噴丸效果對比

TP347HFG的晶粒度要高于TP347H，在噴丸過程中，晶粒度越細，對Cr的擴散和形成氧化膜越有利。因此，對比了TP347H和Super304H的噴丸處理效果，噴丸層及基體金屬相比較的硬度增加值如表3所示。

Super304H和TP347H的噴丸深度均滿足不小于70 μm的技術(shù)要求。按照金相法測量，在內(nèi)表面60 μm測量Super304H和TP347H的硬度增加值均滿足不小于100HV0.5的技術(shù)要求，硬度增加的平均值分別為143HV0.5和158.2HV0.5。

4 結(jié)論與展望

超臨界機組鍋爐的屏式過熱器、末級過熱器和高溫再熱器使用TP347H或Super304H管材并進行噴丸處理均可以滿足運行要求?？紤]到TP347H的實際運行經(jīng)驗更豐富、綜合性價比較高等特點，管材應(yīng)嚴(yán)格控制質(zhì)量且晶粒度不低于7級，同時在運行過程中注意控制溫度變化速率的基礎(chǔ)上，可優(yōu)先選擇TP347H。如采用Super304H或更高等級管材，可根據(jù)金相分析及熱力試驗結(jié)果，并通過鍋爐廠進行校核計算和充分論證后，按需實施。

[參考文獻]

[1] 張駿，蔡文河，杜雙明，等.噴丸奧氏體耐熱鋼抗蒸汽氧化性的研究與使用現(xiàn)狀[J].表面技術(shù)，2020，49（9）：133-140.

[2] 劉定平.超（超）臨界電站鍋爐氧化皮生成剝落機理及其防爆關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

收稿日期：2021-01-27

作者簡介：鄭睿（1987—），男，北京人，工程師，研究方向：電力、熱力工程技術(shù)。