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

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(簡稱高過)/高溫再熱器(簡稱高再)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)行對比分析，同時(shí)對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TSG 11—2020 《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(簡稱鍋爐規(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比。

圖1 700 ℃、10 mm/s下1 000 h后奧氏體耐熱鋼的對比

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比。

圖2 650 ℃、27 MPa時(shí)奧氏體耐熱鋼的對比

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，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，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)壁噴丸鋼管在長期服役中高溫抗蒸汽氧化性能的優(yōu)勢明顯。

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)充措施對鋼管內(nèi)壁進(jìn)行處理。