1000MW機(jī)組鍋爐受熱面奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁氧化皮檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用

國家電投集團(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，可有效防止因氧化皮問題引發(fā)的非計劃停機(jī)事故，并對提高電廠效益、延長機(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社和三菱重工共同開發(fā)的用于超超臨界鍋爐過熱器管不銹鋼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)過研究，在過熱器管中使用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較高，在高溫環(huán)境中金屬結(jié)構(gòu)相對穩(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℃，水蒸汽會和純鐵反應(yīng)產(chǎn)生Fe2O3和Fe3O4還會釋放氫氣。溫度繼續(xù)升高，超過570℃時，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)過程中產(chǎn)生氫氣。此外，氧化鐵在氧化反應(yīng)過程中的產(chǎn)生速率高于四氧化三鐵，氧化鐵會繼續(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)。一般來說，若反應(yīng)溫度較高且反應(yīng)時間越長，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，隨著時間的延長，管子內(nèi)壁氧化皮的厚度會不斷增加，氧化層的成分也隨著時間不斷改變。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)差別會產(chǎn)生熱應(yīng)力與外界應(yīng)力等因素的作用下，會產(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 啟動階段

機(jī)組在啟動前應(yīng)該按照相關(guān)規(guī)定嚴(yán)格開展系統(tǒng)沖洗工作，不能只追求啟動速度，在啟動的各個階段應(yīng)嚴(yán)格把控水質(zhì)。控制點(diǎn)火后的升溫速率應(yīng)該保持在1.5K/min 以下，短時間內(nèi)最大不超過3K／min。機(jī)組啟動過程中要開展吹管工作，將雜物排出，保持旁路開度較大，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汽輪機(jī)的有害因素。啟動階段嚴(yán)控減溫水使用，一般通過燃燒控制啟動溫度、壓力，最好不使用減溫水。

5.2 正常運(yùn)行階段

屏式過熱器、高溫過熱器和高溫再熱器需要保持蒸汽溫度在水流流動過程中沿管道內(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，通過調(diào)節(jié)各個部位燃料燃燒情況、控制開關(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)行過程中對內(nèi)壁溫度變化進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。

通過燃燒每千克煤產(chǎn)生的蒸氣量來調(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，避免投入過多的降低蒸汽溫度的純水，且無法控制純水的單次投入量。需要對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，對其進(jìn)行實(shí)時的檢修?？赏ㄟ^改變工業(yè)鍋爐中的給水處理方式，即通過除氧器運(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，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控制溫度數(shù)值變化時，需要立即將純水隔離，防止控制純水流入的閥門滲漏，使得鍋爐在停止運(yùn)行時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。

一般來說，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快的地方，控制高溫過熱器的排煙溫度，當(dāng)二次風(fēng)熱風(fēng)溫度與鍋爐室內(nèi)溫差≤125℃時，將爐底除渣位置的水封打開使冷空氣流入，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)行的情況下手動主、熱汽壓力溫度的變化速率及各個組件的輸出功率，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，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

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

6 氧化物檢測方法的分析和研究

6.1 射線透視法檢測法

對于氧化物的檢測，射線透視檢測法是比較傳統(tǒng)的檢測手段，其主要是對受熱面最下彎頭進(jìn)行射線透視，通過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。該檢測方法雖能直觀地得出檢測結(jié)果，但由于受檢測條件的影響，最終獲得的射線底片不能真實(shí)反映實(shí)際情況，檢測結(jié)果也會出現(xiàn)較大偏差，甚至無法判斷是否存在氧化物堆積；射線檢測對工期要求較長，工作量較大，檢測結(jié)果的評判帶有主觀性。

6.2 磁性檢測法

主要使用剩磁法、提升力法檢測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，抽查的時候常常發(fā)生漏檢，并且會因?yàn)槌椴楦罟芏斐刹槐匾暮缚冢捎诤缚诘脑龆?，增大了受熱面的安全風(fēng)險。二是無危害，環(huán)保。射線檢測會給周圍的人和物帶來一定的輻射傷害，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損檢測設(shè)備體積小，使用靈活，檢測過程中不受電源、灰塵、振動等外部因素干擾，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 磁性檢測法的研究

通過檢測管道內(nèi)氧化物磁場強(qiáng)度的大小，可以反映出管道內(nèi)氧化皮的量。檢測時，在受熱面不銹鋼管施加一個特殊設(shè)計的低頻磁場，由于管道內(nèi)具有鐵磁性氧化皮或其他異物，會感應(yīng)出一個電磁場，通過專用磁電轉(zhuǎn)換霍爾原件，磁場被轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的多路弱點(diǎn)信號，同時另一路基準(zhǔn)通道會得到空間磁場對應(yīng)的弱電感應(yīng)信號，上述信號去除電磁干擾和本體噪聲經(jīng)過相同的前置處理進(jìn)行比較，來提取有效的信號。最后轉(zhuǎn)換設(shè)備，將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)、圖像，通過試驗(yàn)對比，建立與實(shí)際相應(yīng)的評判標(biāo)準(zhǔn)[2]。

剩磁檢測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，外部磁場對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)格對外部磁場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，在檢測開始前，需要通過與現(xiàn)場相應(yīng)規(guī)格、材質(zhì)的不銹鋼管子試驗(yàn)，將對比后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，以獲得和生產(chǎn)現(xiàn)場相應(yīng)的工作環(huán)境所能檢測到的真實(shí)情況。

7 總結(jié)分析

建議發(fā)電公司應(yīng)做到“逢停就查、及時清理”，只要是“逢停就測、及時清理”的鍋爐，氧化皮脫落堵塞風(fēng)險都得到良好地控制，沒有做到“逢停就測、及時清理”的鍋爐，累積多的氧化皮就算短時間內(nèi)不發(fā)生爆管泄漏，氧化皮的堆積也會形成管道內(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。