電站鍋爐關(guān)鍵部件材料高溫蒸汽氧化研究進(jìn)展

蘇建芳 張宗彬

（河南華電金源管道有限公司 河南鄭州 450000）

電站鍋爐關(guān)鍵部件材料高溫蒸汽氧化研究進(jìn)展

蘇建芳 張宗彬

（河南華電金源管道有限公司 河南鄭州 450000）

受到特殊服役環(huán)境影響，對(duì)于電站鍋爐來(lái)說(shuō)，應(yīng)具備良好的關(guān)鍵材料特性。一方面，應(yīng)符合力學(xué)性能需要。另一方面，應(yīng)具備耐高溫腐蝕性。只有這樣，鍋爐機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，才能實(shí)現(xiàn)更加安全，才能更加可靠，凸顯出經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)。本文針對(duì)鍋爐合金材料進(jìn)行相關(guān)分析，就高溫蒸汽氧化方面予以一定闡述。

電站鍋爐；關(guān)鍵部件；材料；高溫蒸汽；氧化；研究進(jìn)展

對(duì)于電站鍋爐來(lái)說(shuō)，需要科學(xué)控制關(guān)鍵部件材料。所謂關(guān)鍵部件，通常包括高壓鍋爐管件，相關(guān)主蒸汽管道，同時(shí)還包括集箱管道等。對(duì)于這些部件，高溫蒸汽氧化下，從性能要求方面來(lái)說(shuō)保持較為一致。現(xiàn)階段，由于受到氧化層隔熱方面影響，容易導(dǎo)致金屬超溫現(xiàn)象，同時(shí)可能引起氧化皮脫落。一旦堵塞彎頭等部位，容易導(dǎo)致超溫爆管現(xiàn)象。而對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)脫落氧化物顆粒，容易造成汽輪機(jī)沖蝕。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)論是安全性方面，還是經(jīng)濟(jì)性方面，普遍遭受嚴(yán)重影響。

1 低合金鋼

在鍋爐關(guān)鍵材料中，低合金鋼屬于重要組成部分。從低合金鋼物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)說(shuō)，Cr含量通常不會(huì)超過(guò)3％的要求。對(duì)于該類鋼來(lái)說(shuō)，無(wú)論是力學(xué)性能方面，還是耐腐蝕性能方面，普遍較為有限[1]。因而一般在應(yīng)用過(guò)程中，蒸汽溫度不能過(guò)高，需要不超過(guò)560℃。對(duì)于此種規(guī)格鍋爐管道，才能相對(duì)較為適用。比方說(shuō)，水冷壁管道，或者低級(jí)過(guò)熱器管道。

研究表明，對(duì)于低合金鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，位于鍋爐蒸汽側(cè)部位，一旦產(chǎn)生氧化作用，其氧化層結(jié)構(gòu)方面，一般屬于多層結(jié)構(gòu)。如果溫度不超過(guò)570℃，關(guān)于生成氧化膜從組分方面來(lái)說(shuō)，主要包括氧化鐵以及氧化鉻。而氧化物內(nèi)層如果存在鉻元素以及鍶元素，能夠充分起到減緩氧化的作用[2]。如果溫度超過(guò)570℃，氧化膜還會(huì)包括氧化亞鐵。而對(duì)于氧化亞鐵來(lái)說(shuō)，一般位于最內(nèi)層，同時(shí)具備不致密特點(diǎn)。因而對(duì)于整個(gè)氧化膜來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性容易遭到破壞，造成氧化膜脫落現(xiàn)象。基于氧化動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，同樣有所體現(xiàn)。研究證明，對(duì)于低合金鋼來(lái)說(shuō)，蒸汽氧化階段，從動(dòng)力學(xué)曲線方面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與線性規(guī)律較為接近。然而，Cr含量一旦出現(xiàn)加大，其抗氧化性能方面，也會(huì)得到較為明顯的提升。

針對(duì)低合金鋼的性質(zhì)，鍋爐設(shè)計(jì)開(kāi)展過(guò)程中，通常不被當(dāng)成最高部件。基于此，低合金鋼關(guān)注過(guò)程中，一般更多考慮成本或者加工方面。雖然從原理上講，加大Cr元素含量，能夠在一定程度上促進(jìn)抗氧化性。然而，應(yīng)充分考慮成本角度，基于這個(gè)角度，我們才能予以科學(xué)的合金選型。

2 9～12％鉻鋼

與低合金鋼進(jìn)行比較，9～12％鉻鋼物理化學(xué)性質(zhì)方面，明顯存在更加優(yōu)良的熱強(qiáng)性，同時(shí)耐腐蝕能力方面，非常良好。在過(guò)熱器管道，蒸汽管道等方面，具有一定程度應(yīng)用。然而，對(duì)于蒸汽側(cè)來(lái)說(shuō)，容易產(chǎn)生氧化層脫落現(xiàn)象，因而在一定程度上限制了其運(yùn)用。

9～12％鉻鋼來(lái)說(shuō)，介于一定使用溫度內(nèi)，一旦出現(xiàn)溫度變化，合金抗氧化方面，性能優(yōu)劣容易遭受影響[3]。研究表明，抗蒸汽氧化水平方面，隨著溫度不斷發(fā)生變化，明顯發(fā)生類似于鐘形的規(guī)律特點(diǎn)。如果溫度介于600～700℃范圍之內(nèi)，此時(shí)難以產(chǎn)生保護(hù)性氧化膜結(jié)構(gòu)。如果溫度大于700℃，但是沒(méi)有達(dá)到800℃，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)保護(hù)性氧化膜結(jié)構(gòu)，但是氧化速率普遍不高。一旦溫度開(kāi)始逐漸升高，由于合金內(nèi)部鉻元素不足，容易造成氧化膜保護(hù)性降低。

研究表明，通過(guò)改變使用溫度，氧化膜結(jié)構(gòu)性質(zhì)同樣容易改變。一般來(lái)說(shuō)，氧化皮主要包括兩層，氧化皮最外層來(lái)說(shuō)，屬于含鐵氧化產(chǎn)物。而氧化層內(nèi)層含有一定鉻元素。在內(nèi)外層界面部位，通常容易出現(xiàn)孔洞。研究表明，溫度位于650℃條件下，氧化膜外層一般包括三氧化二鐵以及四氧化三鐵。而對(duì)于內(nèi)層來(lái)說(shuō)，通常主要成分包括氧化鉻[4]。溫度位于800℃條件下，對(duì)于氧化膜外層來(lái)說(shuō)，主要成分包括氧化鉻。對(duì)于內(nèi)層來(lái)說(shuō)，主要成分包括三氧化二鉻。

概括來(lái)說(shuō)，9～12％鉻鋼本身性質(zhì)方面，高溫蒸汽氧化下，抵抗能力存在一定不足。現(xiàn)階段，諸多研究表明，借助于改善合金成分，能夠充分實(shí)現(xiàn)抗氧化性增強(qiáng)，蒸汽環(huán)境條件下，如果溫度位于650℃左右，抗氧化性能方面來(lái)說(shuō)，能夠?qū)崿F(xiàn)顯著提高。

3 奧氏體鋼

關(guān)于奧氏體鋼，普遍存在熱強(qiáng)性高的特點(diǎn)，同時(shí)抗氧化性能方面，普遍較為優(yōu)良。在使用溫度方面，能夠一直加大到650℃左右。現(xiàn)階段，對(duì)于超超臨界機(jī)組，屬于首選材料。對(duì)于奧氏體鋼來(lái)說(shuō)，鉻元素含量較高，因而合金從性質(zhì)方面來(lái)說(shuō)，抗蒸汽氧化水平得到較為有效提高。然而，合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，耐蝕元素含量存在差異，晶粒度方面，同樣有所不同，因而對(duì)于此類合金來(lái)說(shuō)，抗蒸汽氧化水平具有一定不同。

TP304H從性質(zhì)方面來(lái)說(shuō)，高溫蒸汽氧化過(guò)程中，容易出現(xiàn)雙層氧化膜結(jié)構(gòu)。對(duì)于外層來(lái)說(shuō)，主要包括鐵氧化物，易形成脫落。而對(duì)于其致密內(nèi)層，普遍含有較為豐富的鉻元素[5]。一旦服役時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)于外層來(lái)說(shuō)，容易產(chǎn)生大面積剝落現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)我國(guó)賈建民等教授研究，通過(guò)表面噴丸作用，能夠充分實(shí)現(xiàn)錯(cuò)密度提高。與此同時(shí)，鉻元素?cái)U(kuò)散通道得到有效加大。氧化膜層結(jié)構(gòu)內(nèi)部，鉻元素濃度能夠得到充分提高。然而，通過(guò)進(jìn)行噴丸處理，影響程度究竟如何，噴丸強(qiáng)度是一大關(guān)鍵，氧化溫度同樣較為重要。在特殊熱加工下，借助于細(xì)化晶粒措施，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)性能增強(qiáng)。

對(duì)于奧氏體鋼來(lái)說(shuō)，通過(guò)提高其鉻元素含量，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)性能增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)研究，對(duì)于氧化層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，運(yùn)行時(shí)間一旦持續(xù)加大，從氧化進(jìn)程方面來(lái)說(shuō)，就會(huì)容易達(dá)到停滯狀態(tài)。在初期產(chǎn)生的三氧化二鉻膜作用下，鋼氧化速率容易出現(xiàn)下降。

4 高溫合金

關(guān)于高溫合金，明顯存在更強(qiáng)大高溫強(qiáng)度特性。從合金成分方面來(lái)說(shuō)，包括鎳元素以及鈷元素，因而使其具備一定耐蝕能力。對(duì)于此類合金而言，鉻元素含量普遍較高，通常超過(guò)20％。由于鉻元素含量足夠高，因而位于合金表面，單層三氧化二鉻膜實(shí)現(xiàn)有效生長(zhǎng)。根據(jù)氧化膜成分，通常主要包括三氧化二鉻。從合金元素組成方面來(lái)看，同樣仍然夾雜氧化鉻。然而，對(duì)于合金內(nèi)部來(lái)說(shuō)，一旦出現(xiàn)鉻元素含量較低，氧化膜構(gòu)成方面，同樣容易引起改變。

對(duì)于鉻元素來(lái)說(shuō)，雖然屬于抗氧化能力較為重要因素，然而對(duì)于高溫合金來(lái)說(shuō)，元素體系較為復(fù)雜，因而合金結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其他元素同樣容易造成影響，我們同樣不容忽視。研究表明，針對(duì)合金內(nèi)部，通過(guò)進(jìn)行少量鍶元素添加，可以充分實(shí)現(xiàn)二氧化鍶生成。鉻離子擴(kuò)散作用，能夠得到一定阻礙。而針對(duì)合金內(nèi)部來(lái)說(shuō)，通過(guò)添加適量鋁元素，合金抗腐蝕方面，能夠?qū)崿F(xiàn)有效提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鍋爐合金材料進(jìn)行相關(guān)分析，就高溫蒸汽氧化方面予以一定闡述。對(duì)于電站鍋爐來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵材料方面，應(yīng)該不僅符合力學(xué)性能規(guī)范，而且具備良好抗高溫腐蝕特點(diǎn)。只有這樣，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，才能真正實(shí)現(xiàn)更加安全，滿足可靠性要求，同時(shí)具備經(jīng)濟(jì)學(xué)特點(diǎn)。

[1]遲成宇，于鴻垚，謝錫善，等.600℃超超臨界電站鍋爐過(guò)熱器及再熱器管道用先進(jìn)奧氏體耐熱鋼的研究與發(fā)展[J].世界鋼鐵，2012（4）：50～65.

[2]王艷麗.簡(jiǎn)述電站鍋爐產(chǎn)品制造過(guò)程中的質(zhì)量控制[J].黑龍江冶金，2012（3）：25～26.

[3]李 陽(yáng)，王巖.700℃A-USC電站鍋爐材料專利分析與研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2013（z2）：148～152.

[4]溫吉利，馮冰瀟，符棟良，等.電站鍋爐材料質(zhì)量問(wèn)題及解決方案[J].質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化，2015（5）：48～51.

[5]成丁南，張知翔，邊寶，等.5種電站鍋爐過(guò)熱器用材料高溫腐蝕試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2012（11）：891～897.

[6]張斌.淺談機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的發(fā)展方向[J].科教導(dǎo)刊-電子版（下旬），2015（5）：141.

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1004-7344（2016）02-0237-02

2015-12-28