水冷壁管內(nèi)壁大面積氧化皮形成原因分析

摘" 要：該文對(duì)某電廠鍋爐水冷壁垂直段、過(guò)渡段、螺旋段及灰斗段（材質(zhì)為12Cr1MoVG和15CrMoG）取樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)內(nèi)容包括宏觀形貌檢查、化學(xué)成分分析、室溫拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試、金相組織檢驗(yàn)和內(nèi)壁氧化層厚度測(cè)量。結(jié)果表明，送檢的水冷壁管段化學(xué)成分、力學(xué)性能均滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；金相組織均為鐵素體+珠光體，組織未見(jiàn)異常；管子內(nèi)壁氧化層的最大厚度為80 μm；管子內(nèi)壁致密氧化層主要為鋼管制造階段最終熱處理因未在還原性氣氛中進(jìn)行，導(dǎo)致生成嚴(yán)重氧化層。

關(guān)鍵詞：水冷壁管；12Cr1MoVG；15CrMoG；力學(xué)性能；金相組織；氧化層

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621.8" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）31-0079-05

Abstract： In this paper， the test analysis is carried out on the vertical section， transition section and spiral section of a boiler water wall made of 12Cr1MoVG and the ash bucket section made of 15CrMoG in a power plant. The tests include macroscopic appearance inspection， analysis of chemical composition， tensile test at room temperature， hardness test， inspection of metallographic structure and measurement of inner wall oxide layer thickness. The results show that the chemical composition and mechanical property of the water wall pipe sections submitted for inspection all meet the requirements of relevant standards; the metallographic structure is ferrite and pearlite， and no abnormal structure is found; The maximum thickness of the oxide layer on the inner wall of the tube is 80 μm; The dense oxide layer formed on the inner wall of the pipe is mainly caused by the fact that the final heat treatment of the steel pipe is not carried out in a reducing atmosphere.

Keywords： the water wall pipe; 12Cr1MoVG; 15CrMoG; mechanical property; the metallographic structure; oxide layer

隨著電力負(fù)荷的逐年增長(zhǎng)及能源、環(huán)保方面要求的逐漸提高，大容量、高參數(shù)的超超臨界機(jī)組正在國(guó)內(nèi)被越來(lái)越多的應(yīng)用[1]，隨之而來(lái)，水冷壁高溫氧化問(wèn)題日益突出[2]。

氧化皮是鐵在高溫作用下，與水、空氣發(fā)生的一種化學(xué)腐蝕[3]。氧化皮的產(chǎn)生并堆積容易引起管壁超溫、葉片沖蝕、閥門(mén)卡死等問(wèn)題，嚴(yán)重者會(huì)發(fā)生水冷壁管道爆管，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)[4]。黃興德等[5]研究了鍋爐受熱面氧化皮的形成原因和生長(zhǎng)規(guī)律，為預(yù)測(cè)和防止氧化皮危害提供了實(shí)現(xiàn)途徑。卞韶帥等[6]對(duì)管內(nèi)有氧化皮的受熱面管道進(jìn)行失效分析，發(fā)現(xiàn)T91鋼有利于降低氧化皮引起管道失效的可能性。殷立寶等[7]對(duì)水冷壁大面積氧化皮進(jìn)行成分分析及數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)氧化皮的產(chǎn)生是由向火側(cè)水冷壁過(guò)熱氧化導(dǎo)致。李萬(wàn)超等[8]對(duì)水冷壁管外壁氧化皮進(jìn)行成分分析及力學(xué)性能檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)高溫下的硫腐蝕是形成外壁氧化皮的主要原因。

現(xiàn)在針對(duì)鍋爐受熱面管道中氧化皮的研究較多，但對(duì)于水冷壁管內(nèi)壁氧化皮產(chǎn)生原因的研究相對(duì)較少。

1" 鍋爐設(shè)備氧化皮脫落分析案例

某電廠鍋爐為660 MW超超臨界壓力一次再熱燃煤機(jī)組，其鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，該鍋爐采用單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動(dòng)調(diào)溫、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、半露天布置、采用濕式刮板除渣系統(tǒng)。鍋爐出口蒸汽壓力和溫度分別為28.25 MPa和605 ℃，鍋爐最大蒸發(fā)量為1 972 t/h。爐膛由管子膜式壁組成，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。從爐膛冷灰斗進(jìn)口集箱標(biāo)高7 500 mm到標(biāo)高61 023.9 mm處爐膛四周采用螺旋管圈，在此上方為垂直管圈，垂直管圈分為上、下2部分，下部垂直管圈選用管子規(guī)格為Φ35 mm，節(jié)距為55 mm；上部垂直管圈由2根垂直管通過(guò)一個(gè)Y形三通連接合并成一根管構(gòu)成，管子規(guī)格為Φ38 mm，節(jié)距為110 mm。

電廠基建過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐左側(cè)過(guò)渡段連接垂直段管屏的大部分90°彎頭處氧化皮異物堆積，對(duì)管屏敲擊后此異部分掉落但無(wú)法全部清除。管道異物堆積、剝落可能造成機(jī)組運(yùn)行后爆管，威脅機(jī)組后續(xù)的運(yùn)行，給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重危害。

為查明水冷壁內(nèi)氧化皮產(chǎn)生原因，消除不利影響，提高設(shè)備安全性，本文對(duì)該鍋爐水冷壁垂直段、過(guò)渡段、螺旋段及灰斗段分別取樣并試驗(yàn)分析。

2" 試驗(yàn)內(nèi)容

本文對(duì)水冷壁管取了6個(gè)管樣，材質(zhì)為12Cr1MoVG和15CrMoG 2種類(lèi)型，具體取樣位置見(jiàn)表1，所取6段管樣如圖1所示，試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

3" 試驗(yàn)分析

3.1" 宏觀分析

送檢的6根水冷壁管樣的內(nèi)壁宏觀形貌如圖2所示。1#、5#與6#管段的內(nèi)壁表面平滑光亮，均附著一層較薄的藍(lán)灰色氧化層；2#管段的內(nèi)壁氧化層較厚且為2層結(jié)構(gòu)，其中外層為紅褐色、內(nèi)層為藍(lán)黑色；3#管段的內(nèi)壁氧化層較厚且分為2層結(jié)構(gòu)，外層為藍(lán)灰色致密狀，內(nèi)層為紅褐色疏松狀，外層剝落后裸露出紅褐色的內(nèi)層氧化層；4#管段的內(nèi)壁呈藍(lán)灰色致密氧化層，其中管子的一側(cè)內(nèi)壁附著易剝落的紅色浮銹可能為水壓后管內(nèi)積水導(dǎo)致。

3.2" 化學(xué)成分分析

對(duì)送檢的6根水冷壁管段進(jìn)行化學(xué)成分分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3中可以看到，6根水冷壁管段中元素C、Si、Mn、Cr、Mo、V、P和S含量均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》[9]的相關(guān)要求，取樣管的化學(xué)成分均未見(jiàn)異常。

3.3" 力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)送檢的6根水冷壁管樣分別沿縱向截取2個(gè)拉伸試樣，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：溫室試驗(yàn)方法》[10]進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中可以看到，6根水冷壁管段的室溫拉伸性能均符合GB/T 5310—2017[9]的相關(guān)要求。

3.4" 金相組織分析

對(duì)送檢的6根水冷壁管樣分別截取全截面環(huán)狀試樣，經(jīng)砂紙預(yù)磨、機(jī)械拋光后，采用4%硝酸酒精溶液侵蝕，然后在Olympus GX-51金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察，金相照片如圖3所示。

由圖3可知，6根水冷壁管段的金相組織均為鐵素體+珠光體/貝氏體，其中3#管段珠光體呈條狀分布，其他管段珠光體呈塊狀，組織均未發(fā)現(xiàn)明顯球化跡象。

3.5" 氧化層厚度測(cè)量

對(duì)送檢的6根水冷壁管樣采用線切割機(jī)分別截取全壁厚的弧形試樣，并用標(biāo)樂(lè)鑲樣機(jī)鑲嵌試樣以便于觀察內(nèi)壁氧化層。試樣經(jīng)砂紙預(yù)磨、機(jī)械拋光后，采用掃描電鏡對(duì)其內(nèi)壁氧化層進(jìn)行觀察與測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表5，掃描照片如圖4所示。

由圖4可知，6根水冷壁管段的內(nèi)壁均存在不同厚度的氧化層。1#、4#、5#和6#管段的內(nèi)壁氧化層非常薄、呈不連續(xù)狀，其厚度均在30 μm以?xún)?nèi)；2#管段的內(nèi)壁氧化層為雙層結(jié)構(gòu)，外層疏松較薄、內(nèi)層連續(xù)且致密，其外層厚度約13 μm、內(nèi)層厚度約67 μm，2#管段氧化層的總厚度約80 μm，且外層與內(nèi)層之間、內(nèi)層與基體之間均存在縫隙，其剝落傾向很大；3#管段的內(nèi)壁氧化層呈連續(xù)分布的雙層結(jié)構(gòu)，外層與內(nèi)層之間存在孔洞，內(nèi)層與基體之間結(jié)合較致密，外層厚度約30 μm、內(nèi)層厚度約20 μm，3#管段氧化層的總厚度約50 μm。

同時(shí)，金相觀察發(fā)現(xiàn)1#、4#、5#和6#管段內(nèi)壁存在微小缺陷，深度均在40 μm以?xún)?nèi)，能譜分析知該缺陷內(nèi)部充滿(mǎn)Fe的氧化物，且缺陷底部較圓鈍。經(jīng)分析認(rèn)為該微小缺陷的深度符合GB/T 5310—2017[9]中關(guān)于“冷拔（軋）鋼管內(nèi)外表面直道（含非尖銳芯棒擦傷）允許的深度不大于壁厚的4%且最大為0.2 mm”的規(guī)定。

4" 討論分析

2#取樣管為雙層氧化層結(jié)構(gòu)，外層為疏松的紅褐色，厚度約為13 μm，內(nèi)層為致密的藍(lán)褐色，厚度約為67 μm。其中較厚的內(nèi)層為鋼管制造階段最終熱處理未在還原氣氛中進(jìn)行，導(dǎo)致內(nèi)壁發(fā)生較嚴(yán)重的氧化，生成致密的氧化層，外層疏松的紅褐色氧化皮層，推測(cè)為管屏水壓試驗(yàn)后殘留的水在管子表面生成的腐蝕銹層。

3#取樣管為雙層氧化層結(jié)構(gòu)，外層為藍(lán)灰色致密狀，厚度約為30 μm，內(nèi)層為紅褐色疏松狀，厚度約為20 μm，總厚度50 μm，其中致密的藍(lán)灰色的外層氧化層主要為鋼管制造階段最終熱處理因未在還原氣氛中進(jìn)行，導(dǎo)致生成嚴(yán)重氧化層，內(nèi)層疏松狀的紅褐色氧化層為鋼管酸洗時(shí)因時(shí)間不足造成的氧化層殘留下來(lái)。

5" 結(jié)論

送檢的6根水冷壁取樣管段（材質(zhì)為12Cr1MoVG和15CrMoG）的化學(xué)成分、室溫拉伸性能、硬度、非金屬夾雜物含量均滿(mǎn)足GB/T 5310—2017[9]的相關(guān)要求，金相組織均為鐵素體+珠光體，組織未見(jiàn)異常。

1#、4#、5#和6#管段的內(nèi)壁為藍(lán)灰色、氧化層較薄，氧化層厚度均在30 μm以?xún)?nèi)；2#管段的氧化層為雙層結(jié)構(gòu)，外層為疏松的紅褐色、厚度13 μm，內(nèi)層為致密的藍(lán)黑色、厚度67 μm，氧化層總厚度為80 μm；3#管段的氧化層為雙層結(jié)構(gòu)，外層為藍(lán)灰色致密狀、厚度30" μm，內(nèi)層為紅褐色疏松狀、厚度20 μm，總厚度為50 μm。

1#、4#、5#和6#管段內(nèi)壁局部存在微小缺陷，缺陷深度均在40 μm以?xún)?nèi)，且缺陷底部較圓鈍，符合GB/T 5310—2017[9]對(duì)冷軋鋼管表面質(zhì)量的要求。

管子內(nèi)壁致密氧化層主要為鋼管制造階段最終熱處理因未在還原性氣氛中進(jìn)行，導(dǎo)致生成嚴(yán)重氧化層。

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