超臨界燃煤鍋爐高溫受熱面材質(zhì)選型分析

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(jìn)入超臨界壓力時(shí)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(jìn)而影響鍋爐安全運(yùn)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(jìn)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(jī)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(jī)組效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，同時(shí)也給鍋爐高溫受熱面金屬材質(zhì)帶來了新的考驗(yàn)。本文對超臨界機(jī)組燃煤鍋爐高溫受熱面選用的主要管材進(jìn)行了介紹，研究分析了氧化皮的產(chǎn)生機(jī)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(jī)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(gè)壓力和溫度時(shí)，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(diǎn)，爐內(nèi)工質(zhì)壓力大于這個(gè)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(jì)超過25 MPa，溫度設(shè)計(jì)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(jí)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(qiáng)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(jī)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(shí)，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(jī)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(huì)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(hù)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(shí)，氧化層由內(nèi)而外依次由FeO、Fe2O3和Fe3O4組成，同時(shí)釋放氫氣，進(jìn)一步促進(jìn)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(dá)到臨界值或氧化層與管材之間應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧化皮脫落。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，超臨界機(jī)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(yùn)行10 000～15 000 h后出現(xiàn)脫落，超溫運(yùn)行和壁溫變化率過快會(huì)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(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸，會(huì)引起汽輪機(jī)前級(jí)葉片和噴嘴侵蝕及汽門卡澀，危及運(yùn)行安全。汽輪機(jī)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?qiáng)W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(huì)更加快速、密集地形成Cr2O3氧化層，堵塞鐵元素的擴(kuò)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(chǔ)丸倉分篩控制粒度注入移動(dòng)式噴丸機(jī)。

（2）常壓下的空氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓，經(jīng)儲(chǔ)氣缸內(nèi)穩(wěn)壓、冷干機(jī)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(jī)中與鋼丸會(huì)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(jī)向前移動(dòng)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(jī)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(jī)拖動(dòng)噴槍的回抽運(yùn)動(dòng)中，對鋼管整長施以鋼管內(nèi)壁噴丸強(qiáng)化處理。

（6）已噴鋼管脫離工位經(jīng)輥道推入成品待驗(yàn)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(yàn)及驗(yàn)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(shí)鐘方向3時(shí)、6時(shí)、9時(shí)、12時(shí)四個(gè)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(gè)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(xì)，對Cr的擴(kuò)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(jī)組鍋爐的屏式過熱器、末級(jí)過熱器和高溫再熱器使用TP347H或Super304H管材并進(jìn)行噴丸處理均可以滿足運(yùn)行要求?？紤]到TP347H的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)更豐富、綜合性價(jià)比較高等特點(diǎn)，管材應(yīng)嚴(yán)格控制質(zhì)量且晶粒度不低于7級(jí)，同時(shí)在運(yùn)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(jí)管材，可根據(jù)金相分析及熱力試驗(yàn)結(jié)果，并通過鍋爐廠進(jìn)行校核計(jì)算和充分論證后，按需實(shí)施。

[參考文獻(xiàn)]

[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(jī)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)。