劉川槐, 潘衛(wèi)國, 紀冬梅

(1.淮浙電力有限責任公司 鳳臺發(fā)電分公司, 安徽 淮南 232001;2.上海電力大學 能源與機械工程學院, 上海 200090)

隨著鎳鉻合金材料廣泛應用于電站高溫承壓構(gòu)件,其疲勞、蠕變等問題得到了一定緩解,然而,高溫受熱面在高溫和高壓蒸汽的作用下,形成了大量的氧化皮,這些氧化皮的厚度隨著爐管服役時間的延長而逐漸增加,從而影響受熱面的換熱效果,導致爐管過燒變形和氧化皮剝落,引起爆管。高溫氧化皮是近年來高參數(shù)火力發(fā)電機組中鍋爐高溫受熱面的一個主要問題。氧化皮的形成與爐管服役的溫度、服役時間以及服役環(huán)境下的含氧濃度有關。

近年來,我國超(超)臨界火電機組鍋爐高溫受熱面管材逐漸國產(chǎn)化,國產(chǎn)SA-213TP347HFG新型細晶奧氏體耐熱不銹鋼材料是較為普遍使用的高溫受熱面管材之一。TP347HFG鋼在超超臨界蒸汽長期氧化過程中形成雙層氧化物[1-3],外層為Fe3O4[4],內(nèi)層氧化皮富含鉻,且含鉻形態(tài)受溫度影響,在低于585 ℃時氧化物由Fe-Cr氧化物包圍的Fe-Ni-Cr晶粒組成,而在高于585 ℃時整個內(nèi)層氧化物幾乎均由Fe-Cr氧化物組成[1,5]。爐管服役時間不超過30 000 h時,內(nèi)層氧化皮的厚度幾乎不隨服役時間和環(huán)境溫度的變化而變化,但是服役時間超過57 000 h時,即使環(huán)境溫度很低,氧化皮的厚度也會顯著增加[1,5]。在600 ℃的超超臨界水蒸氣環(huán)境下,氧化皮的厚度增長隨時間線性變化,而在650～700 ℃時,氧化皮的厚度隨時間近似拋物線增加[4]。

氧化皮的自身厚度、金屬材料的化學成分、溫度變化率和水蒸氣中氧離子擴散速率共同決定著金屬氧化皮的剝落[6-7],其中材質(zhì)的性能在很大程度上決定了氧化皮抗剝落。研究表明,硅、鎳和鉻元素對氧化皮微觀結(jié)構(gòu)的影響較為顯著[8-9]。以鉻元素為例,其對材料的影響主要集中在以下幾方面[10-11]:在金屬材料中,加大鉻元素的比重,使得氧化皮增厚,致密性變低;鉻元素的電位低于鐵元素的電位,因此更容易形成鉻的氧化物,而不是鐵的氧化物,且鉻的氧化物更不容易剝落;鉻元素的離子半徑小于鐵元素的離子半徑,增加鉻元素后,降低了材料的體積差和應力,有利于氧化皮與金屬的附著粘合,導致氧化皮不易剝落。

某電廠2期工程安裝2臺660 MW超超臨界機組,其鍋爐型號為SG-2009/28-M6004,為超臨界參數(shù)變壓本生型直流鍋爐,后屏過熱器爐管材料大量使用國產(chǎn)SA-213TP347HFG。在該廠開展氧化皮檢測時,發(fā)現(xiàn)后屏過熱器爐管內(nèi)有大量氧化皮脫落。本文主要針對此爐管氧化皮脫落問題進行討論和分析。

1 情況簡介

該廠3#鍋爐后屏過熱器材質(zhì)為TP347HFG不銹鋼,規(guī)格Φ48 mm×8.5 mm。該材料設計最高平均壁溫為600 ℃,最高外壁溫度為617 ℃,抗氧化溫度為760 ℃,最小壁厚為6.21 mm。該材料正常運行時蒸汽溫度為550～560 ℃,管外煙氣溫度約1 100 ℃。

目前,國內(nèi)600 MW級以上火電機組,特別是超(超)臨界機組,鍋爐高溫受熱面管材普遍采用SA-213TP347H、SA-213TP347HFG、SA-213T91、SA-213T92、SUPER304H和HR3C(TP310HCbN)等材料。TP347HFG鋼與TP347H鋼成分相同,但兩者加工制造、處理工藝不同,TP347HFG鋼是在TP347H鋼基礎上進行改進的鉻鎳鈮奧氏體不銹鋼,即在最后一道拔管工藝之前將TP347H管子進行一次高于最終固溶處理溫度的軟化退火。因在高溫固溶軟化退火過程中,TP347H鋼組織析出大量的NbC,這些析出的NbC阻礙了TP437H鋼固溶處理過程中形成的奧氏體晶粒長大,進而細化TP347H晶粒形成了TP347HFG鋼,所以TP347HFG鋼的晶粒較細小[12]。

2014年5月,該電廠對投產(chǎn)6個月的3#鍋爐高溫受熱面管進行氧化皮檢測,發(fā)現(xiàn)材質(zhì)為TP347HFG的后屏過熱器下彎頭普遍存在磁性超標問題。通過對高磁性的受熱面管彎頭射線拍片復核比對及割管檢查,發(fā)現(xiàn)所有材質(zhì)為TP347HFG管屏下彎頭均存在較大量的氧化皮脫落堆積現(xiàn)象,而處于同一運行條件的SUPER304H材料管則沒有發(fā)現(xiàn)氧化皮的存在。圖1為其中一根管彎頭射線拍片復核照片,光亮部分是氧化皮堆積的部位,從所有彎頭射線探傷照片中可以看出,有些管氧化皮堆積量達到截面的90%以上,其他管堆積界面基本上都達到60%以上,存在嚴重的安全風險。

圖1 射線拍片復核照片

圖2和圖3為TP347HFG材料管內(nèi)窺鏡檢查的實際情況。其中,圖2為后屏過熱器進口段,圖3為后屏過熱器出口段。

圖2 后屏過熱器進口段TP347HFG管內(nèi)窺鏡照片

圖3 后屏過熱器出口段TP347HFG管內(nèi)窺鏡照片

從圖2和圖3中不難發(fā)現(xiàn),TP347HFG管內(nèi)壁氧化皮脫落現(xiàn)象非常明顯,其中后屏過熱器出口高溫段氧化皮脫落較進口低溫段更為明顯,且無論是后屏過熱器進口段還是出口段,其內(nèi)壁表面附著大量的氧化皮較為疏松。

圖4為同樣運行環(huán)境下的進口內(nèi)噴丸SUPER304H材質(zhì)管內(nèi)窺鏡檢查的實際情況。

圖4 SUPER304H材質(zhì)管內(nèi)壁表面氧化皮照片

從圖4可以看出,經(jīng)噴丸處理的SUPER304H材質(zhì)管內(nèi)壁表面氧化皮非常致密、完好,無脫落的痕跡。但SUPER304H管與TP347HFG管的焊縫上存在明顯的氧化皮脫落現(xiàn)象,具體如圖5所示。

圖5 SUPER304H管與TP347HFG管焊縫處氧化皮照片

此次3#鍋爐后屏過熱器TP347HFG受熱面管內(nèi)堆積的氧化皮均為細小的碎屑狀,如圖6所示。氧化皮成分主要為Fe3O4,通過螺旋測微儀檢測,其厚度為0.030～0.035 mm。

圖6 管內(nèi)氧化皮形貌

2 原因分析

在高溫服役環(huán)境下,爐管基體與金屬氧化皮之間的線膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)有差異,導致在工作期間爐管內(nèi)產(chǎn)生的熱應力與機械應力不一致。在兩者共同作用下,氧化皮剝落取決于金屬氧化皮與材料界面之間的相對斷裂強度,即只有金屬氧化皮自身的內(nèi)應力大于氧化皮與界面的結(jié)合應力時,氧化皮會發(fā)生剝落現(xiàn)象[13]。

具體而言,氧化皮剝離有2個主要條件:一是氧化皮層達到一定厚度,一般不銹鋼材料為0.10 mm左右,鉻鉬鋼為0.2～0.5 mm(運行5萬h可以達到);二是爐管在服役環(huán)境下的應力值足夠大。若溫度變化幅度大、速度快、頻度大,此時熱應力較大,氧化皮容易剝落[14]。氧化皮的厚度越小,爐管內(nèi)應力值越小,氧化皮越難剝落。氧化皮厚度與其剝落臨界應力值關系曲線如圖7所示[15-16]。

圖7 氧化皮厚度與其剝落臨界應力值關系曲線

此次檢測發(fā)現(xiàn),氧化皮厚度為0.030～0.035 mm就開始脫落,低于氧化皮剝落高發(fā)期的0.10 mm剝落厚度,說明細晶粒的國產(chǎn)TP347HFG奧氏體氧化皮很容易發(fā)生脫落?，F(xiàn)就有關原因分析如下。

(1) 溫度變化對氧化皮的生成和脫落造成影響。氧化皮發(fā)生剝落時的臨界溫度變化率|ΔTc|spall與氧化皮厚度δ的關系模型為[13]

(1)

其中:rF——氧化膜表面斷裂能;

E——材料彈性模量;

Δα——管材基體與氧化皮線膨脹系數(shù)差值;

ν——材料泊松比。

由式(1)可知,溫度變化越大,氧化皮脫落時的厚度越小。

(2) 國產(chǎn)材料在同種材料中性能低于進口材料。該廠3#和4#鍋爐后屏過熱器管所采用的TP347HFG管材為國內(nèi)生產(chǎn)加工制造。據(jù)相關資料所述:TP347HFG鋼的室溫、高溫力學性能與TP347H鋼基本相同,但持久強度比ASME(美國機械工程師協(xié)會)規(guī)范的TP347H鋼規(guī)定值高約20%,在600～750℃之間的持久塑性也更佳,焊接性能、疲勞性能大大優(yōu)于常規(guī)的TP347H鋼,且具有較好的抗晶間腐蝕性能、良好的組織穩(wěn)定性和更優(yōu)異的抗氧化及剝離性能,此外還具有良好的彎管性能[17];此鋼的高溫耐蝕性在18Cr-8Ni不銹鋼中也是最好的[18];從抗氧化性、抗腐蝕性能上看,TP347HFG鋼比SUPER304H鋼還略優(yōu)一些。但從該廠后屏過熱器管內(nèi)氧化皮的脫落情況來看,與國產(chǎn)TP347HFG鋼相比,進口的SUPER304H鋼經(jīng)噴丸處理加工后,其抗氧化皮剝落性能明顯優(yōu)于國產(chǎn)TP347HFG鋼。綜上所述,國產(chǎn)TP347HFG鋼在制造工藝上面還有待優(yōu)化提高。

(3) 所用國產(chǎn)TP347HFG鋼管未進行噴丸處理。研究表明:鋼管內(nèi)部噴丸處理可以在內(nèi)壁近表面產(chǎn)生碎化的奧氏體晶粒和大量的滑移帶等,在蒸汽氧化初期為鉻元素向管內(nèi)表面擴散提供短途徑的擴散通道;同時,噴丸的表層缺陷,導致鉻氧化物形核密度及生長速率增加,有利于形成單一Cr2O3膜,而合金表面致密的保護性氧化膜Cr2O3能夠有效地抑制氧化過程的進一步發(fā)展[19]。

若TP347H鋼管內(nèi)表面進行了噴丸處理,其高溫抗氧化性能會大大提高。福建大唐國際某電廠3#和4#超臨界參數(shù)鍋爐2003年投產(chǎn),并進行給水加氧處理,高溫受熱面采用進口TP347H鋼管且內(nèi)壁采用噴丸處理,運行5萬h才有少量氧化皮脫落情況。本文所述的某電廠3#和4#爐后屏過熱器所使用的細晶粒國產(chǎn)TP347HFG鋼管內(nèi)壁未進行噴丸處理,可能是產(chǎn)生大量氧化皮的重要原因之一。

(4) 給水加氧運行方式所造成的影響,導致氧化皮剝落期提前。給水加氧處理時如加氧過量,則可能具有促進高溫受熱面氧化皮剝離的作用[20]。根據(jù)國內(nèi)其他電廠的經(jīng)驗,即使采用高溫性能更優(yōu)的SUP304H鋼管和HR3C鋼管,如其未進行內(nèi)表面噴丸處理,只要鍋爐給水加氧過量,也會產(chǎn)生大量的氧化皮。一般氧化皮厚度超過0.10 mm就會剝落,超過0.15 mm時風險更大。該廠從機組投產(chǎn)初期就開始對3#爐進行給水加氧工作,但未實現(xiàn)自動加氧,由于采用手動加氧,很難做到加氧量隨負荷變化而變化,機組在低負荷時可能存在加氧過量的情況。

另外,文獻研究表明,水蒸氣中氧離子擴散速率也影響著金屬氧化皮的剝落[6]。TP347HFG鋼在550 ℃水蒸氣環(huán)境服役時氧化皮的增加速率比在600 ℃環(huán)境下的氧化速率更快,且在550 ℃水蒸氣環(huán)境服役時,含氧濃度的變化對其氧化速率的影響更大[2]。

3 預控措施

(1) 嚴格控制壁溫,防止超溫。嚴格按照金屬壁溫的要求,控制后屏過熱器管的壁溫水平。目前,該廠鍋爐壁溫測點數(shù)量較少,雖具有一定的代表性,但并不能全面反映全部管屏的壁溫水平,在運行控制上缺少必要的參考數(shù)據(jù),建議對各高溫受熱面管增加一定數(shù)量的壁溫測點。

(2) 機組啟停過程嚴格控制溫升、溫降速率。鍋爐溫升、溫降速率過快都容易導致氧化皮的剝落發(fā)生,尤其是溫降過程更易導致氧化皮的剝落。因此,停爐時應避免強制通風冷卻,鍋爐熄火后應保持足夠的燜爐時間,而且應打開煙道聯(lián)絡擋板,盡量保持水平煙道左右兩側(cè)通風量一致。

(3) 嚴格控制給水加氧量。給水加氧必須實現(xiàn)自動化,嚴格控制給水加氧量,防止給水加氧過量導致大量的容氧進入蒸汽側(cè),加劇運行中高溫受熱面氧化皮的大量剝落。

(4) 采用內(nèi)壁噴丸處理。國內(nèi)運行經(jīng)驗顯示,國產(chǎn)TP347HFG管材經(jīng)過內(nèi)部噴丸處理后,其高溫抗氧化性能明顯提升。建議如使用國產(chǎn)TP347HFG管材,則應在出廠前進行噴丸處理,以提高其高溫抗氧化性能。

4 結(jié) 語

本文針對某電廠材質(zhì)為國產(chǎn)TP347HFG奧氏體不銹鋼的超超臨界機組鍋爐后屏過熱器大面積氧化皮脫落問題,從氧化皮剝離的臨界厚度、溫度變化、材質(zhì)和表面處理,以及鍋爐給水加氧運行方式等方面詳細分析了國產(chǎn)TP347HFG奧氏體不銹鋼爐管氧化皮脫落的原因,并給出了相應的預控措施。