姚兵印，李志剛，黨黎軍，張志博，侯召堂，唐麗英(西安熱工研究院有限公司，西安市710032)

660 MW超超臨界鍋爐末級(jí)再熱器氧化皮大面積剝落原因分析

姚兵印，李志剛，黨黎軍，張志博，侯召堂，唐麗英
(西安熱工研究院有限公司，西安市710032)

為了掌握某電廠2×660 MW超超臨界鍋爐在運(yùn)行1.7～2.0萬(wàn)h后末級(jí)再熱器多次發(fā)生氧化皮大面積剝落、堆積的原因，對(duì)該廠2臺(tái)鍋爐的末級(jí)過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、末級(jí)再熱器TP347H管子割管取樣分析。割管分析內(nèi)容包括:化學(xué)成分分析、室溫拉伸試驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)等。分析結(jié)果表明:末級(jí)過(guò)熱器和后屏過(guò)熱器TP347H管子內(nèi)壁存在1層細(xì)晶粒區(qū)(晶粒度9～10級(jí))，而高溫再熱器則整體均為粗晶區(qū)，內(nèi)壁無(wú)細(xì)晶粒區(qū)。二者晶粒度的區(qū)別是導(dǎo)致僅高溫再熱器發(fā)生大面積氧化皮剝落堆積的主要原因。TP347H鋼管晶粒度對(duì)其內(nèi)壁氧化皮長(zhǎng)大的速度的影響因素表現(xiàn)為材料晶粒越細(xì)小，晶界密度越大，Cr元素通過(guò)短路擴(kuò)散方式的擴(kuò)散速度越快，越有利于在TP347H管子內(nèi)壁形成富Cr的氧化層，其抗蒸汽氧化能力越強(qiáng)。最后，對(duì)600℃溫度等級(jí)的超超臨界機(jī)組高溫受熱面的選材提出了建議。

超超臨界機(jī)組;末級(jí)再熱器;氧化皮;晶粒度;抗蒸汽氧化能力

0 引言

隨著超超臨界發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，特別是溫度參數(shù)的顯著提高，鍋爐高溫受熱面易發(fā)生蒸汽側(cè)氧化皮剝落，阻塞汽流造成鍋爐過(guò)熱器、再熱器管超溫爆管，這已成為全球范圍內(nèi)鍋爐爐管失效的第2位主要起因［1-8］。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)鍋爐高溫受熱面的氧化皮的產(chǎn)生、長(zhǎng)大、剝落過(guò)程及其機(jī)理進(jìn)行了大量的研究［9-13］。賈建民等［12］對(duì)18-8系列粗晶奧氏體不銹鋼如12X18H12T、TP316L的過(guò)熱器和再熱器蒸汽側(cè)氧化皮快速生長(zhǎng)和大面積剝落行為進(jìn)行了研究，指出氧化皮外層與基體金屬間過(guò)大的熱膨脹系數(shù)差異引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致了氧化皮的開(kāi)裂和剝落。楊景標(biāo)等［13］分析了氧化皮的結(jié)構(gòu)及其在高溫運(yùn)行中的開(kāi)裂、剝落行為，認(rèn)為氧化皮的微觀結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)和3層結(jié)構(gòu)，氧化皮在不同的亞層發(fā)生開(kāi)裂和剝落。郭巖等［14-15］對(duì)TP347HFG細(xì)晶粒鋼的蒸汽氧化行為進(jìn)行了研究，指出晶粒細(xì)化有利于提高鋼的抗水蒸氣氧化性能。但是目前在超超臨界鍋爐高溫受熱面中廣泛使用的TH347H材料的氧化皮堵塞、爆管時(shí)有發(fā)生，仍然是導(dǎo)致不少采用該材料的超臨界、超超臨界火電廠鍋爐發(fā)生爆管的主要原因之一。尤其是對(duì)于同一臺(tái)鍋爐，相同的管壁運(yùn)行溫度，采用同樣TP347H材料其發(fā)生氧化皮堆積的情況并不相同。因此有必要對(duì)TP347H在超超臨界運(yùn)行條件下的蒸汽氧化行為進(jìn)行深入的研究，掌握TP347H氧化皮產(chǎn)生及剝落、堆積機(jī)理和影響因素，有針對(duì)性地采取措施，確保超超臨界鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文從TP347H材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相微觀組織、顯微硬度等方面進(jìn)行分析，以期找到相同運(yùn)行工況下同樣的材料牌號(hào)，其發(fā)生氧化皮堆積及剝落的行為差異，分析TP347H奧氏體不銹鋼的不同特性對(duì)氧化皮剝落、堆積的影響機(jī)理，從而為T(mén)P347H奧氏體不銹鋼的應(yīng)用提供建議。

1 末級(jí)再熱器氧化皮情況

某電廠(稱為A電廠)5、6號(hào)機(jī)組為2×660 MW超超臨界機(jī)組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)制造的HG-2042/26.15-YM3型超超臨界一次中間再熱變壓運(yùn)行直流鍋爐。至2013年4月底，5、6號(hào)爐累計(jì)運(yùn)行時(shí)間分別為2.0萬(wàn)、1.7萬(wàn)h(2012年4月停機(jī)檢修時(shí)2臺(tái)機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間分別為1.2萬(wàn)、1.0萬(wàn)h)。

5、6號(hào)爐末級(jí)再熱器、末級(jí)過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器材質(zhì)采用了TP347H、S30432(Super304H)、TP310HCbN(HR3C)3種材質(zhì)。A電廠5、6號(hào)鍋爐末級(jí)再熱器入口側(cè)外1圈材質(zhì)為HR3C，外2、3圈使用Super304H，僅使用了少量的TP347H;第4～11圈材質(zhì)均為T(mén)P347H。3種管材典型的化學(xué)成分見(jiàn)表1所示。

2012年4月、2013年4月在A電廠5號(hào)爐機(jī)組停機(jī)檢修中，分別對(duì)鍋爐末級(jí)再熱器、末級(jí)過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器進(jìn)行氧化皮堆積磁性檢測(cè)，確定5、6號(hào)機(jī)組末級(jí)過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器無(wú)氧化皮堆積;5、6號(hào)爐末級(jí)再熱器入口側(cè)管屏下彎頭區(qū)域則存在較為嚴(yán)重的氧化皮堆積情況(氧化皮堆積、剝落形貌見(jiàn)圖1)。

對(duì)末級(jí)再熱器入口管屏從外向內(nèi)數(shù)第1～11圈間管子氧化皮堆積的數(shù)量進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基本上第1圈較少，第2、3圈次之，第4～11圈氧化皮堆積的量最多。與管子用材對(duì)比，使用TP347H管材末級(jí)再熱器管屏發(fā)生了嚴(yán)重的氧化皮剝落、堆積。A電廠5、6號(hào)爐末級(jí)過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器的管壁內(nèi)蒸汽溫度與末級(jí)再熱器相同，所用管材牌號(hào)也相同，但是其未發(fā)生氧化皮的大面積剝落、堆積。

關(guān)于奧氏體不銹鋼及鐵素體鋼鍋爐受熱面管內(nèi)壁氧化皮生成及長(zhǎng)大、剝落的機(jī)理已經(jīng)在之前許多文獻(xiàn)多次詳細(xì)敘述［9-15］，本文在此不再詳細(xì)敘述。

目前對(duì)鍋爐奧氏體不銹鋼高溫受熱面的氧化皮一致的觀點(diǎn)是，金屬表面氧化皮的產(chǎn)生與材料的材質(zhì)特性有關(guān)，不同的材料在水蒸汽條件下氧化的速度有很大的差異。同樣的金屬材料在水蒸汽條件下氧化速度不同，主要與材料經(jīng)受的溫度不同有關(guān)，溫度越高，金屬表面氧化層增厚的速度越快。

A電廠5、6號(hào)末級(jí)過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、末級(jí)再熱器材質(zhì)選用上基本上均相同，也是外圈采用部分HR3C、第2～3圈采用部分Super304H，其余第4～10圈部分大量采用TP347H材質(zhì)管子。但是磁性檢測(cè)5號(hào)爐高溫過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器僅有微量的氧化皮堆積，不存在大面積氧化皮剝落、堆積的現(xiàn)象。

相同材質(zhì)、相同的運(yùn)行溫度、介質(zhì)條件下，僅僅高溫再熱器發(fā)生氧化皮剝落、堆積，而高溫過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器均未發(fā)生。

2 末級(jí)再熱器氧化皮分析

為了研究、分析末級(jí)再熱器氧化皮大面積剝落的原因，進(jìn)行了以下形式的研究和分析:

(1)對(duì)A電廠5號(hào)爐割管取樣，分析末級(jí)再熱器材質(zhì)狀況，分別在5號(hào)爐末級(jí)再熱器入口側(cè)TP347H管子上割管3根，末級(jí)過(guò)熱器TP347H割管1根，取TP347H備品管1根，共計(jì)5根管子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室材質(zhì)分析。分析項(xiàng)目包括:氧化皮厚度測(cè)量、化學(xué)成分、室溫力學(xué)性能、硬度、金相組織分析、微觀夾雜物分析。

(2)對(duì)A電廠6號(hào)爐末級(jí)再熱器割管取樣，分別在6號(hào)爐末級(jí)過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器入口側(cè)TP347H管子上割管1根，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室材質(zhì)分析。分析項(xiàng)目同A廠5號(hào)爐割管分析項(xiàng)目?jī)?nèi)容。

2.1 化學(xué)成分分析

從A電廠5號(hào)爐取5個(gè)TP347H奧氏體不銹鋼管樣(包括備品管新管)，取樣位置、編號(hào)情況見(jiàn)表2。

選取A3、A4管樣及備品管A5，分析管子化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中可知，所取管樣化學(xué)成分均符合美國(guó)ASME-SA213標(biāo)準(zhǔn)中TP347H及GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)07Cr18Ni11Nb的要求。

2.2 金相組織分析

對(duì)上述A1～A5號(hào)管樣切割成環(huán)樣做金相分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4及圖2。

由表4并結(jié)合圖2的金相組織照片可知:

(1)各管樣A、B、C、D、DS各類(lèi)夾雜物均不大于2.5級(jí)，且A、B、C、D各類(lèi)夾雜物的細(xì)系級(jí)別和粗系級(jí)別總數(shù)均各不大于6.5級(jí)，滿足GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)各運(yùn)行管樣(A1～A4號(hào)管樣)的基體組織均為奧氏體+碳化物，備用管(A5號(hào)管樣)的基體組織為奧氏體+孿晶+碳化物。

(3)除A2號(hào)管樣(末級(jí)過(guò)熱器管子)基體組織不均勻，分為粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)，粗晶區(qū)晶粒度為2～3級(jí)，細(xì)晶區(qū)晶粒度為6～8級(jí)外，A1、A3、A5號(hào)管樣的基體組織均勻，晶粒度在4.5～7級(jí)范圍內(nèi)，晶粒度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求;A4號(hào)管樣晶粒度在2.5～3級(jí)，比GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》要求晶粒度粗(GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》規(guī)定TP347H晶粒度為4～7級(jí))。

(4)末級(jí)再熱器運(yùn)行管樣氧化皮測(cè)量最厚可達(dá)0.08 mm，外層多已經(jīng)脫落(由于奧氏體不銹鋼通常為雙層結(jié)構(gòu)，外層易剝落，在割管取樣時(shí)的切割、振動(dòng)條件影響下，外層氧化皮大部分已經(jīng)剝落，氧化皮雙層計(jì)算可粗略估算氧化皮總厚度約為內(nèi)層×2= 160μm)，部分區(qū)域生長(zhǎng)出厚度為0.005～0.008 mm的新生外層。

(5)末級(jí)過(guò)熱器(A2號(hào)管樣)內(nèi)壁氧化皮僅為0.02 mm(雙層計(jì)算可粗略估算氧化皮總厚度約40μm)，遠(yuǎn)低于高溫再熱器取樣管子的氧化皮厚度。

2.3 室溫拉伸性能

選取高溫再熱器A3及A5備品管，進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可以看出，A電廠5號(hào)爐末級(jí)再熱器取樣的A3管樣及A5管樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率均符合美國(guó)ASME SA213標(biāo)準(zhǔn)及GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)的要求。可見(jiàn)，所試驗(yàn)TP347H管子強(qiáng)度符合要求。

2.4 硬度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)A電廠A1～A5管樣進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可見(jiàn):A2管子布氏硬度在200 HBW左右，略高于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H新管的要求值，其余管子維氏硬度和布氏硬度均符合GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》及美國(guó)ASME SA213標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H新管的要求，硬度正常。

3 末級(jí)再熱器氧化皮試驗(yàn)結(jié)果分析

A電廠5號(hào)爐2013年割管取樣的末級(jí)再熱器TP347H管子(A1、A3、A4、A5)為均勻的4～6級(jí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)壁細(xì)晶區(qū)、外壁粗晶區(qū)的現(xiàn)象。而末級(jí)過(guò)熱器(A2管樣)則存在內(nèi)壁細(xì)晶區(qū)、外壁粗晶區(qū)的現(xiàn)象。這表明同樣的TP347H材質(zhì)，過(guò)熱器和再熱器材質(zhì)在晶粒度指標(biāo)上有明顯的區(qū)別。

同樣運(yùn)行溫度、運(yùn)行時(shí)間的TP347H材質(zhì)的管子，末級(jí)過(guò)熱器A2管子氧化皮測(cè)量?jī)H為0.02 mm (雙層總厚度40μm)，遠(yuǎn)小于末級(jí)再熱器管子內(nèi)壁氧化皮厚度(雙層總厚度140～160μm)，僅為后者內(nèi)壁氧化皮厚度的1/4。可見(jiàn)晶粒度越細(xì)，氧化皮長(zhǎng)大速度越慢，表明材料抗水蒸汽氧化的能力越強(qiáng)。

由于5號(hào)爐末級(jí)過(guò)熱器TP347H僅割取1個(gè)管樣，是否過(guò)熱器均存在內(nèi)壁細(xì)晶粒區(qū)，外壁及中間粗晶區(qū)呢?2012年4月A電廠6號(hào)爐運(yùn)行時(shí)間1萬(wàn)h時(shí)末級(jí)過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器入口側(cè)TP347H管子上曾割管取樣各1根(分別編號(hào)為A6、A7)，對(duì)其金相組織進(jìn)行分析，確定其組織中也存在內(nèi)壁細(xì)晶粒區(qū)、外壁及中間為粗晶區(qū)的情況(見(jiàn)圖3、圖4)。測(cè)量其內(nèi)壁氧化皮厚度均為0.035 mm。

以上結(jié)果表明，過(guò)熱器和再熱器材質(zhì)在晶粒度指標(biāo)上有明顯的區(qū)別。

文獻(xiàn)［17］認(rèn)為，晶粒度對(duì)鋼材抗蒸汽氧化性能的影響是通過(guò)擴(kuò)散來(lái)起作用的，而在氧化層中的擴(kuò)散主要是通過(guò)晶界等短路擴(kuò)散途徑進(jìn)行的;晶界部位Cr由短路擴(kuò)散引起富集，Cr的有效擴(kuò)散系數(shù)Deff為

式中:f=2δ/d;δ為晶界寬度;d為晶粒尺寸;DL為晶內(nèi)擴(kuò)散系數(shù);DGB為晶界擴(kuò)散系數(shù)。由于DL＜＜DGB，式(1)可簡(jiǎn)化為

由式(2)可以看出Cr的有效擴(kuò)散系數(shù)Deff隨著晶粒尺寸d的減小而增大，細(xì)小的晶粒提高了氧化物的晶界密度，為Cr的擴(kuò)散提供了大量的短路擴(kuò)散通道，這種快速擴(kuò)散能夠補(bǔ)償因表面氧化及揮發(fā)所損失的Cr，有利于形成富Cr的氧化層，阻止水蒸汽對(duì)鋼的進(jìn)一步氧化，有效提高抗蒸汽氧化能力。細(xì)小的晶粒尺寸提高了Cr的短路擴(kuò)散，有利于形成富Cr的氧化層，具有較好的抗蒸汽氧化性能。

賈建民等［11，19］認(rèn)為，管材的化學(xué)成分、金屬晶粒度、表面狀態(tài)等對(duì)不銹鋼蒸汽側(cè)氧化皮的生長(zhǎng)速度影響很大。含Cr大于22%的奧氏體不銹鋼的抗蒸汽氧化性能遠(yuǎn)比18-8型奧氏體不銹鋼好，當(dāng)金屬中Cr元素含量超過(guò)22%時(shí)，由于晶內(nèi)Cr原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，使得這類(lèi)鋼在高溫蒸汽氧化過(guò)程中不需要借助晶界、亞晶界等擴(kuò)散捷徑就能夠?yàn)檠趸缑嫣峁┻x擇性氧化所需的充足Cr原子，從而在金屬表面形成結(jié)構(gòu)非常致密的純Cr2O3保護(hù)膜，使基體金屬免遭進(jìn)一步的氧化腐蝕。

圖5是700℃試驗(yàn)條件下TP347H晶粒度對(duì)氧化皮長(zhǎng)大速度的影響［18］。圖中試驗(yàn)4 000 h時(shí)晶粒度為5級(jí)和9級(jí)時(shí)氧化皮內(nèi)層厚度分別為80、20μm，可見(jiàn)晶粒度對(duì)TP347H奧氏體不銹鋼蒸汽氧化速度的影響之大。

文獻(xiàn)［19］分析了相同化學(xué)成分的TP347HFG的氧化皮生成與晶粒度的影響作用，指出細(xì)晶18-8型奧氏體不銹鋼(如TP347HFG)的抗蒸汽氧化性能比粗晶18-8型奧氏體不銹鋼(如TP347H)好得多。對(duì)細(xì)晶粒不銹鋼TP347HFG內(nèi)層氧化物的研究表明，TP347HFG細(xì)晶粒不銹鋼表層和亞表層金屬晶粒度由于存在不均，內(nèi)壁晶粒度越大的地方(晶粒越細(xì))其生成保護(hù)膜的速度越快，抗氧化能力越好，氧化皮越薄?？梢?jiàn)對(duì)于TP347H鋼及細(xì)晶粒TP347HFG鋼來(lái)說(shuō)，內(nèi)壁晶粒尺寸對(duì)氧化皮長(zhǎng)大的速度具有重大影響。

另一電廠(稱為B電廠)4號(hào)機(jī)組為600 MW超臨界機(jī)組(東鍋廠制造，型號(hào)DG 1900/25.4-II 2型，主蒸汽參數(shù)25.4 MPa/571℃，再熱蒸汽參數(shù)4.43 MPa/569℃，至2013年初運(yùn)行5萬(wàn)h)，其主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度分別是571、569℃，運(yùn)行5萬(wàn)h后割管取樣，測(cè)量高溫過(guò)熱器、高溫再熱器(材質(zhì)均為T(mén)P347H，晶粒度分別為4、6～7級(jí))內(nèi)壁氧化皮厚度，分別為179、106μm，也可看出，晶粒度對(duì)TP347H管子內(nèi)壁氧化皮長(zhǎng)大速度有重大影響，晶粒粗的高過(guò)管子的氧化皮厚度比晶粒細(xì)的高溫再熱器管子的內(nèi)壁氧化皮厚度大70μm。另一方面，溫度對(duì)氧化皮的長(zhǎng)大速度也有重要影響，主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)等級(jí)為570℃等級(jí)超臨界機(jī)組，其蒸汽參數(shù)提高到600℃后，TP347H材質(zhì)高溫受熱面管子的氧化皮厚度達(dá)到140～170μm的時(shí)間由5萬(wàn)h迅速縮減到1.7萬(wàn)～2.0萬(wàn)h，氧化皮厚度長(zhǎng)大速度提高約2.5～3倍以上?？梢?jiàn)超超臨界機(jī)組主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)為600℃等級(jí)時(shí)，采用普通TP347H作為高溫受熱面管子材質(zhì)存在抗蒸汽氧化能力余量不足的問(wèn)題。

對(duì)比相同溫度等級(jí)的東鍋產(chǎn)某660 MW等級(jí)超超臨界機(jī)組(稱為C電廠)，其高溫過(guò)熱器、高溫再熱器入口側(cè)外圈第1～3圈采用HR3C(TP310HCbN，25Cr-20NiNbN)、Super304H(S30432，18Cr-8NiCuNbN)，其余部位采用TP347HFG，未采用TP347H。出口側(cè)則基本上全部采用HR3C、Super304H。該鍋爐每次檢測(cè)僅TP347HFG材質(zhì)的管子有20～30根管子彎頭氧化皮堆積較多，需要清理，而其余HR3C、Super304H基本上沒(méi)有或很少氧化皮堆積。

TP347HFG由于要求其晶粒度應(yīng)達(dá)到7～10級(jí)，為細(xì)晶粒鋼，故其抗蒸汽氧化能力比TP347H大大提高;但是TP347HFG與Super304H鋼雖同樣屬18Cr-(8-10)Ni鋼，但Super304H鋼添加了Cu、N、Nb等元素以后，其高溫強(qiáng)度及抗蒸汽氧化能力均強(qiáng)于TP347HFG。

美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H晶粒度要求是粗于7級(jí)(≤7級(jí));我國(guó)GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)07Cr18Ni11Nb(TP347H)晶粒度要求是4～7級(jí)。雖然A電廠5號(hào)爐末級(jí)再熱器管子(大部分晶粒度在4～6級(jí))在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，但是粗晶粒鋼的抗蒸汽氧化性能比細(xì)晶粒鋼差，因此選用TP347HFG細(xì)晶粒鋼抗蒸汽氧化效果更好，或者訂貨時(shí)要求內(nèi)壁應(yīng)存在9～10級(jí)的細(xì)晶區(qū)(細(xì)晶區(qū)厚度應(yīng)＞100μm)。

噴丸處理能改變鋼管試樣的內(nèi)壁表面狀態(tài)，加快Cr從基體向內(nèi)壁表面擴(kuò)散，形成富Cr的致密氧化層，顯著降低氧化膜的生長(zhǎng)速度［19］。故對(duì)TP347H管子進(jìn)行內(nèi)壁噴丸是提高鍋爐高溫受熱面管材抗蒸汽氧化能力的有效途徑之一。

綜合A電廠5、6號(hào)爐過(guò)熱器、再熱器管樣的金相分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論:

(1)A電廠5、6號(hào)爐末級(jí)過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器未發(fā)生氧化皮大量剝落、堆積，而相同材質(zhì)的末級(jí)再熱器卻發(fā)生大面積氧化皮剝落堆積，是由于末級(jí)過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器TP347H管子的內(nèi)壁存在一層細(xì)晶粒區(qū)，晶粒度在9～10級(jí)，其外壁、中間晶粒度為粗晶區(qū)(粗于6.5級(jí));而末級(jí)再熱器TP347H管子金相組織為粗晶區(qū)，內(nèi)壁無(wú)細(xì)晶粒區(qū)。

(2)晶粒度對(duì)氧化皮長(zhǎng)大的速度具有重大影響，晶粒越細(xì)小，相同面積上的晶粒越多，晶界密度越大，為Cr的擴(kuò)散提供了大量的短路擴(kuò)散通道，這種快速擴(kuò)散能夠補(bǔ)償因表面氧化及揮發(fā)所損失的Cr，有利于形成富Cr的氧化層，阻止水蒸汽對(duì)鋼的進(jìn)一步氧化，有效提高抗蒸汽氧化能力。

(3)超超臨界條件下主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度分別在605、603℃條件下，鍋爐高溫受熱面的管壁溫度為630～650℃(過(guò)熱器、再熱器管的金屬壁溫可比蒸汽溫度高30～50℃，我國(guó)規(guī)定為50℃［20］)，對(duì)于普通的TP347H奧氏體粗晶粒鋼管，其抗氧化能力余量顯示出不足。在正常運(yùn)行1萬(wàn)h以后就發(fā)生大面積剝落，且測(cè)量其氧化皮厚度均在70μm以上(由于管子內(nèi)壁氧化皮外層通常已經(jīng)剝落，此時(shí)測(cè)量出的僅是內(nèi)層氧化皮厚度，總的氧化皮雙層計(jì)算則在140μm以上)，此時(shí)奧氏體不銹鋼易發(fā)生氧化皮剝落。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于TP347H奧氏體不銹鋼鍋爐受熱面管來(lái)說(shuō)，晶粒度對(duì)管子內(nèi)壁氧化皮長(zhǎng)大的速度具有重大影響，晶粒越細(xì)小，晶界密度越大，為Cr的擴(kuò)散提供了大量的短路擴(kuò)散通道;Cr通過(guò)短路擴(kuò)散速度越快，越有利于形成富Cr的氧化層，抗蒸汽氧化能力越強(qiáng)。A電廠末級(jí)再熱器氧化皮大面積剝落是由于TP347H管子自身晶粒較粗，其抗蒸汽氧化能力較差所致。A電廠5、6號(hào)末級(jí)過(guò)熱器TP347H材質(zhì)的管子內(nèi)壁晶粒度細(xì)，所以在相同的煙溫條件下其蒸汽氧化速度慢。因此，提高TP347H管子內(nèi)壁晶粒度達(dá)到7級(jí)以上(9～10級(jí)最佳)能夠顯著提升高溫再熱器的抗蒸汽氧化能力，顯著降低氧化皮生長(zhǎng)速度。

(2)A電廠5號(hào)爐末級(jí)再熱器TP347H材質(zhì)的管子氧化皮厚度在運(yùn)行約1萬(wàn)h就達(dá)到140～160μm，超過(guò)奧氏體鋼氧化皮的臨界剝落厚度，所以末級(jí)再熱器TP347H管子發(fā)生大面積剝落是必然趨勢(shì);而5、6號(hào)爐末級(jí)過(guò)熱器的氧化皮較薄(雙層計(jì)算為40μm)，沒(méi)有達(dá)到剝落的臨界厚度;故未發(fā)生氧化皮大面積剝落。

(3)超超臨界機(jī)組主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)為600℃等級(jí)時(shí)，采用普通TP347H作為高溫受熱面管子材質(zhì)其抗蒸汽氧化能力余量不足。應(yīng)采用HR3C、Super304H、TP347HFG等材質(zhì)?？紤]經(jīng)濟(jì)因素，HR3C、Super304H價(jià)格較高，因此選用TP347HFG細(xì)晶粒鋼抗蒸汽氧化效果更好，或者訂貨時(shí)TP347H材料要求內(nèi)壁應(yīng)存在9～10級(jí)的細(xì)晶區(qū)(細(xì)晶區(qū)厚度應(yīng)＞100μm)。

(4)鑒于TP347H用于600℃蒸汽參數(shù)超超臨界機(jī)組存在抗蒸汽氧化能力余量不足的情況，建議對(duì)A電廠末級(jí)再熱器進(jìn)行改造，提高材料等級(jí)，將TP347H更換為Super304H或TP347HFG等材料，并進(jìn)行噴丸處理，提高材料的抗蒸汽氧化能力，避免氧化皮大面積剝落造成的鍋爐爆管、泄漏。

［1］黃興德，周新雅，游喆，等.超(超)臨界鍋爐高溫受熱面蒸汽氧化皮的生長(zhǎng)與剝落特性［J］.動(dòng)力工程，2009，29(6):602-08.

［2］賈建民，陳吉?jiǎng)?，唐麗英，?12X18H12T鋼管蒸汽側(cè)氧化皮及其剝落物的微觀結(jié)構(gòu)與形貌特征［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(17):43-48.

［3］黃偉，李友慶，熊蔚立，等.600 MW超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器氧化皮脫落爆管原因分析及對(duì)策［J］.電力建設(shè)，2008，29(4): 94-95.

［4］金萬(wàn)里，郭連豐.超臨界鍋爐受熱面管內(nèi)壁氧化皮堵管防治措施［J］.電力建設(shè)，2009，30(10):71-73.

［5］蘇猛業(yè)，金萬(wàn)里.超(超)臨界機(jī)組鍋爐氧化皮監(jiān)控及綜合治理技術(shù)［J］.電力建設(shè)，2012，33(11):49-53.

［6］劉鴻國(guó).新型耐熱鋼用于超超臨界機(jī)組鍋爐出現(xiàn)的問(wèn)題分析及對(duì)策［J］.電力建設(shè)，2012，33(2):56-59.

［7］李義成.超臨界鍋爐受熱面氧化皮的檢測(cè)分析與對(duì)策［J］.電力科學(xué)與工程，2011，27(2):68-71.

［8］王偉，鐘萬(wàn)里，汪淑奇，等.過(guò)/再熱器受熱面壁溫與氧化皮厚度在線監(jiān)測(cè)研究［J］.電力科學(xué)與工程，2014，30(6):35-40.

［9］Wright I G，Dooley R B.Morphologies of oxide grow th and exfoliation in superheater and reheater tubing of steam boilers［J］. Materials at High Temperatures，2011，28(1):40-57.

［10］Fry A，Osgerby S，Wright M.Oxidation of alloys in steam environments-A review［R］.NPL Report，MATC(A)90 National Physical Laboratory，Teddington，U.K.，2002.

［11］賈建民，陳吉?jiǎng)?，李志剛，?18-8系列粗晶不銹鋼鍋爐管內(nèi)壁氧化皮大面積剝落防治對(duì)策［J］.中國(guó)電力，2008，41(5):37-41.

［12］張廣興，李中偉，王強(qiáng).高溫合金蒸汽側(cè)氧化皮產(chǎn)生的機(jī)理及預(yù)防措施［J］.冶金自動(dòng)化，2009，33(S2):900-903.

［13］楊景標(biāo)，鄭炯，李樹(shù)學(xué)，等.鍋爐高溫受熱面蒸汽側(cè)氧化皮的形成及剝落機(jī)理研究進(jìn)展［J］.鍋爐技術(shù)，2010，41(6):44-50.

［14］郭巖，賈建民，侯淑芳，等.國(guó)產(chǎn)TP347HFG鋼的水蒸汽氧化行為研究［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2011，23(6):505-509.

［15］郭巖，唐麗英，周榮燦，等.晶粒尺寸和表面狀態(tài)對(duì)S30432鋼蒸汽氧化行為的影響［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2011，31(8):644-648.

［16］趙慧傳，孫標(biāo)，楊紅權(quán)，等.超臨界600 MW機(jī)組鍋爐末級(jí)過(guò)熱器管材服役現(xiàn)狀分析及改造建議［J］.熱力發(fā)電，2013，42(1):1-4.

［17］馬強(qiáng)，梁平，楊首恩，等.TP347H鋼高溫水蒸汽氧化研究［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2009，30(5):172-176.

［18］張曉昱，歐陽(yáng)杰，郭立峰，等.18-8奧氏體鋼鍋爐管高溫運(yùn)行后失效原因分析［J］.熱力發(fā)電，2007，36(9):92-94.

［19］賈建民，Montgomery M.超超臨界機(jī)組鍋爐用不銹鋼管表面冷作硬化處理對(duì)其抗蒸汽氧化性能的影響［J］.熱力發(fā)電，2009，38 (6):32-37.

［20］劉正東，程世長(zhǎng)，王起江，等.中國(guó)600℃火電機(jī)組鍋爐鋼進(jìn)展［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2011:16-17.

(編輯:蔣毅恒)

Cause Analysis of Massive Oxidation Scale Exfoliation from Final Reheater in 660 MW Ultra-Supercritical Boiler

YAO Bingyin，LIZhigang，DANG Lijun，ZHANG Zhibo，HOU Zhaotang，TANG Liying
(Xi＇an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi＇an 710032，China)

To understand the reason ofmassive oxidation scale exfoliation from the final reheater(RH)tubes of two 660 MW ultra-supercritical(USC)boilers after operating for 1.7×104to 20×104h，TP347H tubes cut from the final superheater(SH)，3rd SH(rear plate superheater)，and final RH were investigated for chem ical compositions analysis，tensile testing at ambient temperature，hardness test，metallographic exam ination，etc.Microstructure analysis shows that there is a layer of fine grain zone(No.9-10 grade grain size)on the inner surface of the 3rd SH and the TP347H tubes in final SH，but only the coarse grain zone can be seen in final RH.The presence of the coarse grain zone on inside surface of RH tubes causes themassive oxidation scale exfoliation from RH tubes.The grain size of TP347H tubes has great influence on the form ing speed of oxide scale on the inside surface.It is found that fine grain size and high density grain boundaries can increase“shortway”Cr element diffusion rates in the TP347H austenitic steel，thus increasing the resistance to steam oxidation during operating at high temperature.Finally，suggestions onmaterial selections for 600℃temperature class USC boiler tubes were presented for consideration.

ultra-supercritical unit;final reheater;oxide scale;grain size;resistance to steam oxidation

TM 621

A

1000－7229(2014)11－0132－07

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.023

2014-07-11

2014-09-12

姚兵印(1971)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事火電廠、水電廠、風(fēng)電場(chǎng)金屬材料焊接修復(fù)及新材料性能研究、金屬監(jiān)督管理與失效分析;

李志剛(1952)，男，研究員，主要研究方向?yàn)殡姀S化學(xué)與水處理、材料腐蝕與防護(hù)技術(shù);

黨黎軍(1963)，男，研究員，現(xiàn)任西安熱工研究院有限公司電站技術(shù)監(jiān)督部副總工程師，長(zhǎng)期從事鍋爐燃燒與運(yùn)行優(yōu)化、故障診斷、鍋爐及節(jié)能技術(shù)監(jiān)督研究;

張志博(1982)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事火電廠、水電廠、風(fēng)電場(chǎng)金屬監(jiān)督管理與失效分析工作;

侯召堂(1980)，男，本科，高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電廠重要部件的無(wú)損檢測(cè)與壽命評(píng)估工作;

唐麗英(1978)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事火電廠新新材料性能研究與失效分析。