國(guó)家電投集團(tuán)協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司 趙子斌

1 背景目的

為保障機(jī)組的安全運(yùn)行，提前對(duì)受熱面用奧氏體不銹鋼進(jìn)行氧化皮情況排查，并進(jìn)行持續(xù)跟蹤檢測(cè)，可有效防止因氧化皮問(wèn)題引發(fā)的非計(jì)劃停機(jī)事故，并對(duì)提高電廠效益、延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命有著巨大的意義。

2 受熱面奧氏體不銹鋼的分析和研究

日本住友金屬株式會(huì)社和三菱重工共同開(kāi)發(fā)的用于超超臨界鍋爐過(guò)熱器管不銹鋼SA-213S30432（10Cr18Ni9NbCu3BN），經(jīng)由試驗(yàn)驗(yàn)證，該奧氏體不銹鋼管具有以下優(yōu)秀性能：耐高溫強(qiáng)度更佳，在高溫下，可抗塑性變形直至斷裂的強(qiáng)度更佳、金屬不易與蒸汽氧化產(chǎn)生反應(yīng)物、抗高溫腐蝕性能更佳。具體表現(xiàn)為：處于60℃的溫度中，該不銹鋼管的耐高溫強(qiáng)度高于TP321H 和細(xì)晶粒TP347HFG；當(dāng)處于650℃超高溫環(huán)境中，該不銹鋼管的耐高溫強(qiáng)度比ASTM SA-213TP347H 高出約1.5倍；相比于TP347H，不銹鋼管的抗塑性變形、抗斷裂性能較好；與細(xì)晶粒TP347HFG 相比，不銹鋼管處于高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性較高，不易與高溫高壓蒸汽氧化產(chǎn)生金屬氧化物；該不銹鋼管的抗腐蝕性能相比TP304H 較高。

SA-213S30432是在SA-213TP304H 的基礎(chǔ)上使SUPER304H 有了更細(xì)的晶粒，為了達(dá)到降低不銹鋼化合物成分中金屬錳的含量，可向其中加入3℃的金屬銅與0.45%的金屬鈮，再加入適量氮?dú)?，使得不銹鋼在服役過(guò)程中能產(chǎn)生顆粒直徑較小、彌漫于空氣中，并在γ-Fe 中的間隙固溶體中沉淀的富銅相，富銅相能夠更好適應(yīng)不銹鋼管的結(jié)構(gòu)，二者互相切合。

不銹鋼管中產(chǎn)生的富銅相與碳化鈮、氮化鈮、氮化鈮鉻、M23C6質(zhì)點(diǎn)的彌散強(qiáng)化獲得非常好的強(qiáng)化，達(dá)到了高溫強(qiáng)度、長(zhǎng)期塑性以及抗腐蝕性能的最佳組合。其高溫蠕變強(qiáng)度不需靠合金元素W、Mo 的強(qiáng)化獲取，而在這一結(jié)構(gòu)中不銹鋼管能承受的最大應(yīng)力值比當(dāng)前使用較為廣泛的SA-213TP347H 鋼較高，約其0.2倍，當(dāng)處于700℃的高溫環(huán)境中，不銹鋼的允許承受的最大應(yīng)力值可高達(dá)49MPa，由于其承受應(yīng)力值較大，已成為目前超超臨界鍋爐的過(guò)熱器和再熱器中使用廣泛的材料之一，也是許用應(yīng)力很高新型經(jīng)濟(jì)型奧氏體不銹鋼。

由于超超臨界鍋爐的過(guò)熱器管經(jīng)常處于較高溫度的環(huán)境中工作，容易在鋼管表面產(chǎn)生高溫高壓蒸汽導(dǎo)致腐蝕，因此需要不銹鋼鋼材具有較高抗腐蝕性能，因此本文經(jīng)過(guò)研究，在過(guò)熱器管中使用SA-213TP310H 不銹鋼。該不銹鋼材料中含有鉻、鎳金屬元素的成分相對(duì)較高，在高溫環(huán)境中金屬結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，耐腐蝕性能較好，但該不銹鋼材料在高溫環(huán)境中容易發(fā)生形變，且材料的允許承受最大應(yīng)力值小于或等于SA-213TP304H。

此外，由于普通不銹鋼材料SA-213TP310H鋼在低溫穩(wěn)定相析出后，由于在外力作用下會(huì)產(chǎn)生較小的形變或斷裂現(xiàn)象，因此在TP310H 不銹鋼中增添了N、Nb 元素獲得HR3C 鋼。HR3C（25Cr-20Ni-Nb-N）鋼與普通的SA-213TP310H 鋼化學(xué)成分的區(qū)別是增加0.20%～0.60%的Nb 元素和0.15%～0.35%的N 元素，這就使其高溫性能得到了很大的提高。HR3鋼處于高溫環(huán)境中的耐腐蝕性能較好，且處于高溫高壓蒸汽環(huán)境中不易與其反應(yīng)產(chǎn)生金屬氧化物，相比普通SA-213TP310H 鋼的允許承受最大應(yīng)力值較高。

3 奧氏體不銹鋼氧化皮產(chǎn)生原因分析

鍋爐高溫受熱面管內(nèi)壁因金屬鈍化形成的氧化膜并非因水汽中溶解的空氣中分子態(tài)氧與金屬鐵發(fā)生氧化反應(yīng)而形成，而是水汽中含有的氧化鐵形成鈍化膜。在高溫環(huán)境中，高溫高壓蒸汽的氫離子與氧離子分離，在氫離子作用下，鍋爐受外界高溫致使鋼管內(nèi)溫度較高產(chǎn)生的水蒸汽具有較強(qiáng)的氧化性。溫度在450～570℃，水蒸汽會(huì)和純鐵反應(yīng)產(chǎn)生Fe2O3和Fe3O4還會(huì)釋放氫氣。溫度繼續(xù)升高，超過(guò)570℃時(shí)，以氫氧原子結(jié)構(gòu)形式是水蒸汽中多數(shù)水分子的存在形式，氧化反應(yīng)的需要條件因大量的氧原子而得到滿足，使得氧化反應(yīng)速率加快。由生鐵精煉成的熟鐵與水蒸汽反應(yīng)生成含有鐵的金屬氧化物，如三氧化二鐵和四氧化三鐵在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生氫氣。此外，氧化鐵在氧化反應(yīng)過(guò)程中的產(chǎn)生速率高于四氧化三鐵，氧化鐵會(huì)繼續(xù)生成四氧化三鐵。綜上所述，不可避免產(chǎn)生高溫蒸汽氧化現(xiàn)象。

在氧化反應(yīng)過(guò)程中，水蒸汽中反應(yīng)生成的氧氣含量，在穩(wěn)定溫度條件下鐵處于蒸汽中所具有的壓力、水蒸汽流速、不銹鋼組成成分、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、不銹鋼在高溫氧化作用產(chǎn)生的腐蝕物成分等因素與鋼鐵氧化產(chǎn)生的腐蝕物形成有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，若反應(yīng)溫度較高且反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，介質(zhì)中氧氣的氣體分壓較高，水蒸汽流速較快，鋼鐵氧化腐蝕物的生成速率加快。不銹鋼鋼管壁的溫度與其氧化速度有關(guān)，即溫度越高，氧化速度加快；抗氧化性能愈好，氧化速度愈慢。

4 氧化膜（氧化物）剝落機(jī)制

高溫爐管內(nèi)壁氧化層脫落的原因：在過(guò)熱器、再熱器奧氏體鋼管子內(nèi)壁高溫蒸汽氧化初始生成的氧化產(chǎn)物與管壁附著牢固，結(jié)構(gòu)致密；后期，金屬會(huì)進(jìn)一步氧化，逐漸生成新的氧化層。由于新的氧化反應(yīng)所需氧必須滲透外層氧化膜后接近或到達(dá)金屬表面，因此氧氣不能快速并充分與金屬反應(yīng)生成高氧化物。奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁氧化膜比較疏松，與金屬基體結(jié)合不夠緊密，因此氧化膜容易從金屬基體中剝落。

管內(nèi)壁氧化膜外層是由少量Fe3O4和Fe2O3組成，都屬于亞氧化物，都有可能向高氧化物轉(zhuǎn)變。因此，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，管子內(nèi)壁氧化皮的厚度會(huì)不斷增加，氧化層的成分也隨著時(shí)間不斷改變。多層之間的成分變化所產(chǎn)生的應(yīng)力、各層之間的膨脹系數(shù)差別會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力與外界應(yīng)力等因素的作用下，會(huì)產(chǎn)生氧化層剝落。

氧化皮剝離因素有：一是管內(nèi)壁垢層累積到一定厚度。二是變化幅度大、速度快、頻度大的溫度因素。在約280℃的溫度區(qū)間，金屬材料與氧化層膨脹系數(shù)差別會(huì)達(dá)到極大值，結(jié)合面處的應(yīng)力也達(dá)到極大值，氧化層最容易剝落[1]。

5 氧化皮的預(yù)控

5.1 啟動(dòng)階段

機(jī)組在啟動(dòng)前應(yīng)該按照相關(guān)規(guī)定嚴(yán)格開(kāi)展系統(tǒng)沖洗工作，不能只追求啟動(dòng)速度，在啟動(dòng)的各個(gè)階段應(yīng)嚴(yán)格把控水質(zhì)?？刂泣c(diǎn)火后的升溫速率應(yīng)該保持在1.5K/min 以下，短時(shí)間內(nèi)最大不超過(guò)3K／min。機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中要開(kāi)展吹管工作，將雜物排出，保持旁路開(kāi)度較大，使用大流量蒸汽吹管。嚴(yán)格把控沖轉(zhuǎn)期間的各項(xiàng)參數(shù)，盡可能減少氧化皮對(duì)汽輪機(jī)的有害因素。啟動(dòng)階段嚴(yán)控減溫水使用，一般通過(guò)燃燒控制啟動(dòng)溫度、壓力，最好不使用減溫水。

5.2 正常運(yùn)行階段

屏式過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器和高溫再熱器需要保持蒸汽溫度在水流流動(dòng)過(guò)程中沿管道內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦阻力的恒定，防止由于蒸汽溫度數(shù)值變化較大導(dǎo)致鋼鐵氧化形成的腐蝕物脫落。不銹鋼管道內(nèi)壁在工作過(guò)程中需要控制內(nèi)壁溫度變化，控制在合理數(shù)值范圍內(nèi)，若內(nèi)壁溫度變化超出數(shù)值范圍，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)部位燃料燃燒情況、控制開(kāi)關(guān)閥等手段效果不明顯，必須立即采取降參數(shù)或者降低鍋爐組件輸出功率的方法，控制內(nèi)壁溫度在允許溫度數(shù)值的最大值或最小值中運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)內(nèi)壁溫度變化進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。

通過(guò)燃燒每千克煤產(chǎn)生的蒸氣量來(lái)調(diào)整主熱汽壓力溫度，控制降低蒸汽溫度純水的投入量，少量多次，根據(jù)不同溫度階段的變化進(jìn)行投入，使得減溫器過(guò)熱前后的溫度差值在200℃內(nèi)，防止溫度呈階梯式快速下降導(dǎo)致鋼鐵氧化產(chǎn)生的腐蝕物脫落。調(diào)整燃燒器幾何平面中心火焰來(lái)控制再熱蒸汽溫度，或應(yīng)用抑制氮氧化物生成的煙氣再循環(huán)方法控制再熱蒸汽溫度，避免投入過(guò)多的降低蒸汽溫度的純水，且無(wú)法控制純水的單次投入量。需要對(duì)受熱部位的管道中蒸汽焓增數(shù)值變化進(jìn)行監(jiān)控，并調(diào)整焓增變化情況，對(duì)管道內(nèi)壁鋼鐵氧化產(chǎn)生的腐蝕物的脫落情況進(jìn)行調(diào)查記錄，以提升鍋爐的使用壽命，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢修?？赏ㄟ^(guò)改變工業(yè)鍋爐中的給水處理方式，即通過(guò)除氧器運(yùn)送到水泵進(jìn)入鍋爐內(nèi)部的化學(xué)水，降低鍋爐給水的含鐵量，降低鍋爐不銹鋼鐵管內(nèi)壁的氧化鐵對(duì)于管道內(nèi)壁空間的填充速度，降低鍋爐受熱面氧化皮沉積速率。

閱讀理解一直在語(yǔ)文教學(xué)中被老師擺在突出的位置。這不僅僅是因?yàn)樗趹?yīng)試教育的考試中占到了相當(dāng)一部分的分?jǐn)?shù)，更在于它可以使學(xué)生感受到作品中所蘊(yùn)含的人文內(nèi)涵。它可以使學(xué)生與作者在深度交流中尋求共鳴，從而理解作者的思想，使自己受到啟發(fā)。創(chuàng)新教育教學(xué)方式，培養(yǎng)閱讀意識(shí)，加強(qiáng)閱讀訓(xùn)練，才能真正提高閱讀能力。

5.3 停爐階段

鍋爐停爐階段，需要將鍋爐進(jìn)行降溫，控制降溫速率小于5℃/min，不可因其他因素使得降溫速率過(guò)快，盡量減少降低蒸汽溫度的純水投入，隨著鍋爐溫度降低到一定數(shù)值，在不需要繼續(xù)投入降低蒸汽溫度的純水來(lái)控制溫度數(shù)值變化時(shí)，需要立即將純水隔離，防止控制純水流入的閥門(mén)滲漏，使得鍋爐在停止運(yùn)行時(shí)仍有溫度較低的水進(jìn)入鍋爐管道中，造成管道內(nèi)壁的鋼鐵氧化產(chǎn)生的腐蝕物掉落。

一般來(lái)說(shuō)，需要在鍋爐停止工作10h 后再進(jìn)行通風(fēng)，盡量避免在空氣流速過(guò)快的地方，控制高溫過(guò)熱器的排煙溫度，當(dāng)二次風(fēng)熱風(fēng)溫度與鍋爐室內(nèi)溫差≤125℃時(shí)，將爐底除渣位置的水封打開(kāi)使冷空氣流入，主汽壓力下降到1MPa 以下，需要將鍋爐內(nèi)存余的水放出。若鍋爐處于事故狀態(tài)，需要保證鍋爐各部件正常運(yùn)行的情況下手動(dòng)主、熱汽壓力溫度的變化速率及各個(gè)組件的輸出功率，使得鍋爐能夠得到平均降溫并冷卻，最后采取停機(jī)操作，鍋爐將要完全冷卻時(shí)，需要控制主熱氣壓力的溫度與壓強(qiáng)的下降速率，降低鍋爐受熱部位的溫度下降速度。

5.4 氧化皮監(jiān)測(cè)

通過(guò)金相、割管，磁通檢測(cè)技術(shù)、射線檢測(cè)，對(duì)受熱面奧氏體不銹鋼氧化皮進(jìn)行檢查監(jiān)測(cè)。對(duì)爐內(nèi)所有區(qū)域異種鋼接頭加強(qiáng)無(wú)損檢測(cè)，將異種鋼接頭失效的風(fēng)險(xiǎn)把控到最低，給予機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行強(qiáng)有力的支持。

6 氧化物檢測(cè)方法的分析和研究

6.1 射線透視法檢測(cè)法

對(duì)于氧化物的檢測(cè)，射線透視檢測(cè)法是比較傳統(tǒng)的檢測(cè)手段，其主要是對(duì)受熱面最下彎頭進(jìn)行射線透視，通過(guò)膠片上的影像檢查受熱面管壁內(nèi)氧化物剝落和堆積情況。該檢測(cè)方法雖能直觀地得出檢測(cè)結(jié)果，但由于受檢測(cè)條件的影響，最終獲得的射線底片不能真實(shí)反映實(shí)際情況，檢測(cè)結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)較大偏差，甚至無(wú)法判斷是否存在氧化物堆積；射線檢測(cè)對(duì)工期要求較長(zhǎng)，工作量較大，檢測(cè)結(jié)果的評(píng)判帶有主觀性。

6.2 磁性檢測(cè)法

主要使用剩磁法、提升力法檢測(cè)奧氏體不銹鋼彎管內(nèi)部氧化皮的堆積量。和傳統(tǒng)方法相比，此技術(shù)具有：一是準(zhǔn)確度高。割管抽查的方法是盲目、隨機(jī)的，抽查的時(shí)候常常發(fā)生漏檢，并且會(huì)因?yàn)槌椴楦罟芏斐刹槐匾暮缚?，由于焊口的增多，增大了受熱面的安全風(fēng)險(xiǎn)。二是無(wú)危害，環(huán)保。射線檢測(cè)會(huì)給周圍的人和物帶來(lái)一定的輻射傷害，并且工作量大，由于受熱面管屏間距的狹小，射線設(shè)備受限于空間制約，拍片質(zhì)量亦很難保證。三是便捷，工期短。奧氏體不銹鋼氧化皮無(wú)損檢測(cè)設(shè)備體積小，使用靈活，檢測(cè)過(guò)程中不受電源、灰塵、振動(dòng)等外部因素干擾，并可進(jìn)行交叉作業(yè)，工作效率高，可大大縮短檢修工期。

6.3 磁性檢測(cè)法的研究

通過(guò)檢測(cè)管道內(nèi)氧化物磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，可以反映出管道內(nèi)氧化皮的量。檢測(cè)時(shí)，在受熱面不銹鋼管施加一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的低頻磁場(chǎng)，由于管道內(nèi)具有鐵磁性氧化皮或其他異物，會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電磁場(chǎng)，通過(guò)專用磁電轉(zhuǎn)換霍爾原件，磁場(chǎng)被轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的多路弱點(diǎn)信號(hào)，同時(shí)另一路基準(zhǔn)通道會(huì)得到空間磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的弱電感應(yīng)信號(hào)，上述信號(hào)去除電磁干擾和本體噪聲經(jīng)過(guò)相同的前置處理進(jìn)行比較，來(lái)提取有效的信號(hào)。最后轉(zhuǎn)換設(shè)備，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)、圖像，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，建立與實(shí)際相應(yīng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[2]。

剩磁檢測(cè)法決定性因素主要有以下三點(diǎn)：一是剩磁感應(yīng)強(qiáng)度與內(nèi)部氧化皮堆積量的關(guān)系。磁化后，氧化皮的堆積量與剩磁磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。二是內(nèi)部氧化皮堆積量與提升力的關(guān)系。磁化后，氧化皮的堆積量越多，外部磁場(chǎng)對(duì)氧化皮的提升力也越強(qiáng)。三是相同不同規(guī)格管道金屬材料內(nèi)部氧化皮堆積量與剩磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。當(dāng)產(chǎn)生較少氧化皮堆積量，材料規(guī)格對(duì)外部磁場(chǎng)作用下的氧化皮提升力影響不大，隨著氧化皮堆積量的越多，壁厚越厚，提升力則越弱。

因此，在檢測(cè)開(kāi)始前，需要通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)規(guī)格、材質(zhì)的不銹鋼管子試驗(yàn)，將對(duì)比后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，以獲得和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)的工作環(huán)境所能檢測(cè)到的真實(shí)情況。

7 總結(jié)分析

建議發(fā)電公司應(yīng)做到“逢停就查、及時(shí)清理”，只要是“逢停就測(cè)、及時(shí)清理”的鍋爐，氧化皮脫落堵塞風(fēng)險(xiǎn)都得到良好地控制，沒(méi)有做到“逢停就測(cè)、及時(shí)清理”的鍋爐，累積多的氧化皮就算短時(shí)間內(nèi)不發(fā)生爆管泄漏，氧化皮的堆積也會(huì)形成管道內(nèi)的節(jié)流，造成管道超溫，加劇管壁氧化惡性循環(huán)，甚至發(fā)生爆管，為安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下隱患。