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        630 ℃鍋爐高溫過熱器/高溫再熱器系統(tǒng)材料選擇及其抗氧化措施

        2022-05-23 05:56:40賴仙紅楊華春敬仕煜楊小川
        發(fā)電設(shè)備 2022年3期
        關(guān)鍵詞:耐熱鋼集箱噴丸

        賴仙紅, 楊華春, 敬仕煜, 楊小川

        (1. 東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司,四川自貢 643001;2. 機(jī)械工業(yè)高溫高壓材料與焊接工程實(shí)驗(yàn)室,四川自貢 643001)

        在我國(guó)能源工業(yè)中,火力發(fā)電具有重要的基礎(chǔ)地位。提高機(jī)組蒸汽參數(shù)是降低煤耗的主要途徑[1]。為節(jié)約煤炭資源,提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性,國(guó)內(nèi)正積極推進(jìn)籌建630 ℃鍋爐[2]。

        與常規(guī)600 ℃/600 ℃鍋爐相比,620 ℃/630 ℃超超臨界鍋爐的過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度分別提高了20 K、30 K,導(dǎo)致高溫過熱器(簡(jiǎn)稱高過)/高溫再熱器(簡(jiǎn)稱高再)系統(tǒng)的受熱面、出口集箱、出口集箱管座的壁溫也相應(yīng)提高。高再出口集箱筒體壁溫最高可達(dá)到640 ℃左右,管座壁溫可能達(dá)到650 ℃左右,而受熱面高溫段壁溫可能接近700 ℃,高溫用材的強(qiáng)度和高溫抗蒸汽氧化性能都面臨重大考驗(yàn)。

        筆者對(duì)630 ℃鍋爐高過/高再系統(tǒng)候選材料的許用溫度、許用應(yīng)力、高溫抗蒸汽氧化性能等進(jìn)行對(duì)比分析,同時(shí)對(duì)高溫抗蒸汽氧化措施進(jìn)行介紹,以為鍋爐用材的選擇提供技術(shù)參考,確保鍋爐安全可靠運(yùn)行。

        1 候選材料對(duì)比分析

        1.1 受熱面選材

        高過/高再系統(tǒng)受熱面管選材候選材料有S30432(SUPER 304H)、TP310HCbN(HR3C)、S31035(Sanicro 25)和SP2215等,均為奧氏體耐熱鋼。

        1.1.1 材料許用溫度

        S31035和SP2215屬于新鋼種,我國(guó)TSG 11—2020 《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(簡(jiǎn)稱鍋爐規(guī)程)還未列出其最高許用溫度,其最高許用溫度參考相應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。受熱面候選材料的最高許用溫度見表1。S30432、TP310HCbN、S31035和SP2215的最高許用溫度均能滿足高過/高再系統(tǒng)受熱面的使用需求。

        表1 受熱面候選材料的最高許用溫度

        1.1.2 材料許用應(yīng)力

        受熱面管候選材料的最大許用應(yīng)力見表2。S31035、SP2215、S30432、TP310HCbN的最大許用應(yīng)力均比TP347H等常規(guī)18-8奧氏體耐熱鋼高出不少。

        表2 受熱面候選材料的最大許用應(yīng)力

        1.1.3 高溫抗蒸汽氧化性能

        圖1[3]為蒸汽參數(shù)為700 ℃、10 mm/s時(shí),1 000 h奧氏體耐熱鋼的高溫抗蒸汽氧化性能對(duì)比。

        圖1 700 ℃、10 mm/s下1 000 h后奧氏體耐熱鋼的對(duì)比

        圖2為蒸汽參數(shù)為650 ℃、27 MPa時(shí),奧氏體耐熱鋼的高溫抗蒸汽氧化性能對(duì)比。

        圖2 650 ℃、27 MPa時(shí)奧氏體耐熱鋼的對(duì)比

        目前,暫無TP310HCbN和SP2215高溫抗蒸汽氧化性能直接試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,但考慮到TP310HCbN和SP2215都屬于粗晶類鋼,其高溫抗蒸汽氧化性能主要取決于Cr含量,提高Cr含量可以提高其高溫抗蒸汽氧化性能[4]。TP310HCbN的Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.0%~26.0%,而SP2215中Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.0%~24.0%,故TP310HCbN的高溫抗蒸汽氧化性能應(yīng)優(yōu)于SP2215。因此,結(jié)合圖1、圖2的結(jié)果,幾種材料的高溫抗蒸汽氧化性能從優(yōu)到劣依次為S31035、TP310HCbN、SP2215、S30432。

        綜上所述,從材料的最大許用應(yīng)力看,S31035最高,SP2215其次,S30432再次,TP310HCbN相對(duì)最低;從高溫抗蒸汽氧化性能看,S31035最好,TP310HCbN其次,SP2215再次,S30432相對(duì)最差。但無論如何,以上材料的高溫抗蒸汽氧化性能和最大許用應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于TP347H等常規(guī)18-8奧氏體耐熱鋼。

        與S30432和TP310HCbN相比,S31035和SP2215均具有較高的強(qiáng)度和較好的高溫抗蒸汽氧化性能,可將其用于高過/高再系統(tǒng)受熱面的高溫段,高過/高再系統(tǒng)受熱面溫度稍低段仍可使用S30432和TP310HCbN。

        1.2 出口集箱及管座選材

        對(duì)于集箱等厚壁部件,應(yīng)盡可能選擇較高熱導(dǎo)率和較低熱膨脹系數(shù)的鐵素體耐熱鋼,以避免嚴(yán)重的熱疲勞損壞[5],候選材料有T/P92、G115、SAVE12AD和SUPER VM12。

        1.2.1 材料許用溫度

        G115、SAVE12AD和SUPER VM12屬于新鋼種,鍋爐規(guī)程中還未列出其最高許用溫度,其最高許用溫度參考相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。出口集箱及管座候選材料的最高許用溫度見表3。

        表3 出口集箱及管座候選材料的最高許用溫度

        由表3可得:對(duì)于高過/高再出口集箱筒體,G115、SAVE12AD和SUPER VM12的最高許用溫度均能滿足使用要求,而P92的最高許用溫度已無法滿足要求;對(duì)于集箱管座,G115可以滿足使用需求,但是SAVE12AD、SUPER VM12和T92受規(guī)范中對(duì)最高許用溫度的限制,無法滿足使用要求。

        1.2.2 材料許用應(yīng)力

        出口集箱及管座候選材料的最大許用應(yīng)力見表4。G115的最大許用應(yīng)力最高,SAVE12AD其次,SUPER VM12再次,但是以上3種材料的最大許用應(yīng)力均比T/P92高。當(dāng)SAVE12AD、SUPER VM12和T/P92的使用溫度超過650 ℃時(shí),標(biāo)準(zhǔn)中無法查到相關(guān)許用應(yīng)力數(shù)據(jù)。

        表4 出口集箱及管座候選材料的最大許用應(yīng)力

        1.2.3 高溫抗蒸汽氧化性能

        G115和SAVE12AD的高溫抗蒸汽氧化性能與T/P92會(huì)有差別,但是從成分來看,應(yīng)無明顯差異。圖3[6]為650 ℃下,SUPER VM12與T/P92的高溫抗蒸汽氧化性能的對(duì)比。SUPER VM12的高溫抗蒸汽氧化性能則明顯更優(yōu),這是因?yàn)轳R氏體耐熱鋼的高溫抗蒸汽氧化性能主要取決于Cr含量,T/P92、G115和SAVE12AD的Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為8.5%~9.5%,而SUPER VM12的Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)則高達(dá)10.5%~12.0%。

        圖3 650 ℃下SUPER VM12與T/P92的高溫抗蒸汽氧化性的對(duì)比

        從材料的最大許用應(yīng)力看,G115最高,SAVE12AD其次,SUPER VM12再次,T/P92相對(duì)最低;而從高溫抗蒸汽氧化性能看,SUPER VM12最好,G115、SAVE12AD和T/P92應(yīng)無明顯差異。

        G115和SAVE12AD具有強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì),而SUPER VM12同時(shí)具有強(qiáng)度和高溫抗蒸汽氧化性能的優(yōu)勢(shì),3種材料均可用于高過/高再出口集箱。但是,SAVE12AD和SUPER VM12受最高許用溫度和最大許用應(yīng)力的限制,不能將其用于相應(yīng)管座,可選用G115。

        2 高溫抗蒸汽氧化的補(bǔ)充措施

        管子內(nèi)壁高溫蒸汽氧化可能使鍋爐運(yùn)行出現(xiàn)各種問題。例如,鋼管內(nèi)壁和蒸汽間形成隔熱的氧化層導(dǎo)致金屬壁溫升高,并且影響換熱效果;氧化層的形成導(dǎo)致鋼管壁厚減??;氧化層的剝落導(dǎo)致氧化皮在彎曲部位處堆積,造成堵管進(jìn)而導(dǎo)致超溫爆管,并且會(huì)給汽輪機(jī)帶來沖蝕等。

        因此,在更高溫度下運(yùn)行時(shí),降低氧化皮的生成速率,是630 ℃鍋爐優(yōu)良性能的保證。同時(shí),對(duì)于使用溫度超過650 ℃的馬氏體耐熱鋼,有些材料(如G115)已明確需要采取高溫抗蒸汽氧化措施。

        2.1 奧氏體耐熱鋼

        對(duì)于S30432、S31035和SP2215等奧氏體耐熱鋼,業(yè)內(nèi)普遍采用內(nèi)壁噴丸來增強(qiáng)其高溫抗蒸汽氧化性能。

        2.1.1 噴丸提高高溫抗蒸汽氧化性能的原理

        奧氏體耐熱鋼管內(nèi)表面經(jīng)噴丸后,在管子內(nèi)表面形成一定深度的、具有大量位錯(cuò)和孿晶等晶體缺陷的形變層,為高溫下工作的奧氏體耐熱鋼管中的Cr提供了快捷擴(kuò)散途徑[7-10],具體見圖4。在高溫、高壓蒸汽條件下工作的鋼管,由于Cr的快速擴(kuò)散,早期就可在內(nèi)壁次表面形成富Cr的、致密的Cr2O3氧化膜,其作為保護(hù)膜防止或延緩了氧化,從而提高了鋼管的高溫抗蒸汽氧化性能。

        圖4 噴丸鋼管高溫抗蒸汽氧化行為的示意圖

        2.1.2 噴丸對(duì)高溫抗蒸汽氧化性能的改善

        TP304H、S30432、噴丸TP304H和噴丸S30432在650 ℃蒸汽下的氧化動(dòng)力學(xué)曲線見圖5[11]。噴丸TP304H和噴丸S30432的抗蒸汽氧化性能得到大幅度提升,遠(yuǎn)好于未噴丸管。

        圖5 650 ℃蒸汽下的氧化動(dòng)力學(xué)曲線

        將TP304H和噴丸TP304H鋼管同時(shí)安裝于鍋爐受熱面高溫段,在實(shí)際工況下服役7 474 h后,噴丸TP304H鋼管內(nèi)壁氧化膜厚度僅為未噴丸鋼管的3%[11],說明內(nèi)壁噴丸鋼管在長(zhǎng)期服役中高溫抗蒸汽氧化性能的優(yōu)勢(shì)明顯。

        S30432、S31035和SP2215等奧氏體耐熱鋼本身具有較好的高溫抗蒸汽氧化性能,外加內(nèi)壁噴丸處理后,其高溫抗蒸汽氧化性能將進(jìn)一步提高,氧化現(xiàn)象能得到有效控制。

        2.2 馬氏體耐熱鋼

        對(duì)于馬氏體耐熱鋼,主要考慮采用內(nèi)壁激光熔覆耐蝕合金、內(nèi)壁滲鋁等方式來改善其高溫抗蒸汽氧化性能,以上處理方式盡管在鍋爐行業(yè)還未得到實(shí)際應(yīng)用,但在其他相關(guān)行業(yè)已發(fā)展較成熟并且得到了大量的應(yīng)用。

        針對(duì)G115的交貨態(tài)、內(nèi)壁激光熔覆(熔覆層為310S)和內(nèi)壁滲鋁后的3種鋼管,切取試樣在660 ℃蒸汽下試驗(yàn)750 h后進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)后3種鋼管的表面形貌見圖6。鋼管內(nèi)壁經(jīng)激光熔覆耐蝕合金和滲鋁處理后,其內(nèi)壁高溫抗蒸汽氧化性能明顯提高,氧化現(xiàn)象得到控制。

        圖6 3種鋼管在660 ℃蒸汽下試驗(yàn)750 h后的表面形貌

        3 結(jié)語

        (1) 對(duì)于630 ℃鍋爐的高過/高再系統(tǒng)用材,受熱面高溫段可選用S31035和SP2215,出口集箱可選用G115、SAVE12AD和SUPER VM12,出口集箱管座可選用G115。

        (2) 針對(duì)應(yīng)用于受熱面的奧氏體耐熱鋼,可采用噴丸處理提高其高溫抗蒸汽氧化性能;針對(duì)應(yīng)用于出口集箱尤其是出口集箱管座的馬氏體耐熱鋼,可考慮采用激光熔覆耐蝕合金、滲鋁等補(bǔ)充措施對(duì)鋼管內(nèi)壁進(jìn)行處理。

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