鍋爐蒸汽側氧化膜對過熱器金屬壁溫的影響分析

姚余善，李代智，周克毅

（1.東南大學能源與環境學院，江蘇南京210096；2.江蘇省工程咨詢中心，江蘇南京210003）

鍋爐蒸汽側氧化膜對過熱器金屬壁溫的影響分析

姚余善1，李代智2，周克毅1

（1.東南大學能源與環境學院，江蘇南京210096；2.江蘇省工程咨詢中心，江蘇南京210003）

針對大型燃煤鍋爐高溫受熱面沿寬度方向受熱不均從而引發受熱面超溫的問題，以某600 MW超臨界燃煤鍋爐末級過熱器為研究對象，結合高溫受熱面蒸汽側氧化膜生長預測模型，通過熱偏差計算，分析了氧化膜的生長對金屬壁溫的影響。結果表明：蒸汽側氧化膜的生長引起管壁溫度不同程度地升高，嚴重的可能導致過熱器局部區域超溫運行，從而降低了金屬高溫蠕變斷裂壽命，因而熱偏差計算中必須考慮氧化膜對金屬壁溫的影響。

氧化膜；壁溫；熱偏差；蠕變斷裂壽命

超臨界和超超臨界鍋爐過熱器和再熱器超溫和管內產生的氧化膜嚴重影響了鍋爐的安全運行，氧化膜的脫落造成受熱管堵塞已經嚴重威脅到了機組的安全運行［1］；氧化膜的生長造成管外壁溫升高，縮短了受熱面管材蠕變斷裂壽命［2］，因此對現代大容量電站鍋爐熱偏差計算以及壁溫計算中考慮氧化膜的生長是非常必要的。通常熱偏差計算以及壁溫計算模型中沒有考慮蒸汽側氧化膜［3-5］，而研究表明氧化膜對爐管溫度存在一定的影響［2］，同時氧化膜的生長與各界面溫度之間存在一定的聯系［6］。文中針對整個過熱器管屏結合氧化膜進行熱偏差計算分析，根據具體情況進行壁溫影響分析，其結果也更加貼近實際運行。

1　模型建立

1.1研究對象

以600MW超臨界直流鍋爐為計算對象，采用四角切圓燃燒方式，末級過熱器位于折焰角上方，管屏結構如圖1，同時為方便熱偏差計算及壁溫計算對管屏進行分段，分段點為A點至I點，其中A點為蒸汽進口點，I為蒸汽出口點，C點為變徑點，末級過熱器管屏材質均為T91。末級過熱器進出口煙溫、蒸汽溫度以及管子的結構和性能等參數如表1所示。

圖1　末級過熱器壁溫計算分段點

表1　末級過熱器BMCR工況下基本參數

末級過熱器共有30個管屏，從煙道左側至右側分別標記為1至30號管屏；每個管屏共有20根管圈，從外管圈至內管圈分別標記為1至20號管。

1.2假設條件

為方便計算分析，做如下假設：

（1）認為管材與氧化膜結合良好，同時氧化膜無剝落現象；

（2）不考慮管道基體以及氧化膜由于受熱膨脹而產生的顯微結構變化；

（3）認為管道受熱均勻，對管道周向受熱不均做修正；

（4）近似認為氧化膜的生長過程中體積為被腐蝕金屬基體體積的2倍［7］。

1.3熱偏差計算模型

熱偏差計算采用常見的計算模型，屏間流量和同屏流量計算分別采用文獻［8，9］介紹的方法，圖1所示各分段管的焓增計算方法參見文獻［10］，各分段點壁溫計算參見文獻［11］。

1.4氧化膜生長模型

對于T91鋼，根據美國電力研究院（EPRI）報告［7］蒸汽側氧化膜在等溫條件下生長規律如下：

式中：δox為氧化膜厚度，mm；t為氧化時間，h；A為Arrhenius常數；Q為激活能；R為通用氣體常數；Tgy為氧化生長溫度，K。

蒸汽側氧化膜提高了傳熱熱阻，但是工質傳熱過程中，煙氣側傳熱熱阻較大，通過適當提高煙溫可以保證傳熱熱流密度不變，從而確保工質吸熱。圖2為曲線ABC和曲線ADE分別為T1和T2定溫條件下氧化膜生長曲線。0～τ1時刻氧化溫度為T1，氧化膜沿著曲線AB生長，氧化膜厚度為δ1；傳熱熱流密度相同時，τ1時刻氧化膜厚度為δ1氧化溫度上升為T2，此時氧化膜沿著DE曲線生長，將DE曲線平移則為BF曲線，氧化膜生長隨時間沿著ABF曲線生長，后續生長以此類推，計算過程如下：

其中：τ'2=τ'1+（τ2-τ1）。

圖2　氧化膜厚度計算原理

1.5蠕變斷裂壽命預測模型

根據歐洲蠕變合作委員會（ECCC）對T91合金的蠕變斷裂特性的研究，T91受熱管的蠕變斷裂壽命與溫度和應力的關系為［12］：

式中：tr為蠕變斷裂壽命，h；T為鋼材使用溫度，℃；σ為等效應力，MPa。

文中選取最大剪切應力強度理論公式來計算管道內壁實際等效應力［13］：

式中：β為外徑和有效內徑的比值。為了保守計算管材的蠕變斷裂壽命，鋼材的使用溫度T選取計算點的外壁溫。

2　氧化膜生長對管壁溫度的影響

2.1熱偏差計算分析

機組沿煙道寬度熱負荷不均勻分布曲線根據實際運行工況改變，文中為保守計算壁溫，沿煙道寬度熱負荷不均勻選擇中間高兩邊低對稱分布，采用文獻［14］介紹的擬合公式，最大和最小熱負荷不均勻系數分別取1.15和0.85。

根據熱偏差計算模型計算得出整個過熱器管屏各分段點工質與壁溫分布，熱偏差計算表明15號屏外管圈熱偏差最大，重點分析15號屏外管圈。圖3為15號屏外管圈工質與壁溫溫度分布，可以看出工質溫度隨著流動方向逐漸升高，內外壁金屬溫度沿管長除點F外呈上升趨勢。金屬壁溫主要與工質溫度有關，同時受熱流密度、工質流速、材料導熱系數以及壁厚的因素影響。CD段位于變徑點以后，內徑變小使得流速變快工質側傳熱系數變大，因而增大對內壁的冷卻效果，但是管壁變厚也使得熱阻變大，因而CD段由于吸熱以及熱阻變大雙重效果使得外壁溫升高幅度較大。EF段位于管圈折彎的后半段，煙氣與管段不是橫向沖刷對流放熱系數較小，同時煙溫較之前管段突然降低因而內外壁溫出現下降，F點內外壁溫受煙溫下降影響出現壁溫下降現象。文中熱偏差計算和壁溫計算計算結果合理，與經驗數據以及類似機組的結論相似［15，16］，驗證了熱偏差計算以及壁溫計算的準確性，為后續蒸汽側氧化膜生長計算和金屬壽命預測提供了基本保證。

圖3　15號屏外管圈工質與壁溫分布

2.2氧化膜生長預測

氧化膜厚度采用表2所示時間間隔逐步進行計算，符合氧化膜生長呈現出先快后慢的生長規律。

表2　逐步計算時間間隔以及總時間

圖4、圖5分別為E點、H點、I點氧化溫度以及氧化膜隨時間的變化曲線。由圖4可以看出氧化溫度的增長呈現出先快后慢逐漸趨緩的趨勢，圖5可以看出前3000 h氧化膜厚度成指數型快速增長，隨著時間的增長氧化膜生長速度逐漸趨緩。由式（1）可得累計運行時間一定時，氧化溫度Tgy越高則氧化膜厚度值δox越大，因而從圖5看出同一時間氧化溫度越高處氧化膜厚度越厚，I點氧化溫度最高氧化膜生長也最快，經過40 000 h的累計運行，E點、H點、I點氧化膜厚度分別達到0.147mm，0.172mm，0.195mm。

圖4　15號屏外管圈E點、H點、I點氧化溫度變化

圖5 15號屏外管圈E點、H點、I點氧化膜生長

圖6可見氧化膜的導熱性能較差造成外壁溫升高，起初氧化膜生長較快導致外壁溫升高也較快，隨著氧化膜生長速率減緩外壁溫升高速率減緩。考慮氧化膜生長后經過40 000 h壁溫計算E點、H點、I點外壁溫分別達到588.8℃，596.7℃，607.6℃，氧化膜的生長使得I點處外壁溫增加了12.8℃。

圖6 15號屏外管圈E點、H點、I點外壁溫增長曲線

圖7可以看出外壁溫、氧化膜與金屬基體界面溫度以及氧化溫度均與氧化膜厚度成線性變化。由于氧化膜的生長導致管壁溫度線性升高，長期運行可能導致高溫受熱面局部區域超溫運行，嚴重的會威脅機組安全運行，因而在熱偏差計算過程中不能忽略氧化膜生長對壁溫的影響。

圖7　15號屏外管圈I點壁溫與氧化膜厚度曲線

2.3蠕變斷裂壽命預測

表3針對15號屏外管圈蒸汽出口I點進行蠕變斷裂壽命計算，當機組運行時間達到50 000 h其累積蠕變斷裂壽命ΣΔti/tri=0.997≈1，即該點蠕變斷裂壽命約為50 000 h。

表3　15號屏1號管I點蠕變斷裂壽命計算

從式（6）知蠕變斷裂壽命與應力以及鋼材使用溫度有關，表3計算結果表明隨著運行時間增長，外壁溫逐漸增大、氧化膜厚度逐漸增厚導致蠕變斷裂壽命不斷減小。

氧化膜生長不僅造成了管壁金屬外壁溫升高，同時氧化膜的形成腐蝕了管材基體導致實際應力升高，從而降低了管材的高溫蠕變斷裂壽命。末級過熱器壁溫最高點處不考慮氧化膜生長時其蠕變斷裂壽命約為1.2×105h，有與氧化膜的生長該點蠕變斷裂壽命約為5×104h，壽命縮短了約58%。減少熱偏差從而降低外壁溫是減緩氧化膜生長從而有效抑制蠕變斷裂壽命縮短的重要方法之一，在設計溫度較高段必需使用抗氧化能力更強的奧氏體鋼，減緩氧化膜的生長從而延緩高溫蠕變斷裂壽命的縮短。

3　結束語

綜上所述，氧化膜生長導致金屬管壁溫度升高，經過40 000 h的運行外壁溫最高上升12.8℃。氧化膜降低了金屬高溫蠕變斷裂壽命，壁溫最高點其高溫蠕變斷裂壽命降低了7×104h，壽命縮短了約58%。氧化膜的生長引起管壁溫度不同程度地升高，嚴重的可能導致過熱器局部區域超溫運行，從而降低了金屬高溫蠕變斷裂壽命，因而熱偏差計算中必須考慮氧化膜對金屬壁溫的影響。

［1］王孟浩，王衡，鄭民牛，等.超臨界和超超臨界鍋爐運行中的幾個問題［J］.熱力發電，2010，39（2）：14-17.

［2］邊彩霞，周克毅，胥建群，等.蒸汽側氧化膜對超臨界機組T92鋼管壁溫的影響［J］.動力工程，2009，29（5）：502-506.

［3］樊泉桂.大容量鍋爐屏式過熱器傳熱計算方法的研究［J］.華北電力大學學報，1997，24（4）：59-64.

［4］王孟浩，楊宗煊.屏式過熱器同屏熱偏差的成因及計算方法［J］.鍋爐技術，1984（9）：18-25.

［5］卞伯繪主編.輻射換熱的分析與計算［M］.北京：清華大學出版社，1988：10.

［6］趙志淵，徐鴻，林振嫻.氧化膜的生長對管壁溫度和氧化膜溫度的影響［J］.動力工程，2011，31（5）：330-335.

［7］HUANG J L，ZHOU K Y，XU J.Q，et al.Probabilistic Creep Rupture Life Evaluation of T91 A lloy Boiler Superheater Tubes Influenced by Steam-side Oxidation［J］.Materialsand Corrosion，2014，65（8）：786-796.

［8］上海機械學院鍋爐教研組.單相流體在并聯管組中的流量分布和熱偏差的理論及計算［J］.鍋爐技術，1974（10）：2-22.

［9］牛天況，高安國，鄭劍飛.大型電站鍋爐過熱器和再熱器壁溫計算方法的改進［J］.鍋爐技術，1985（2）：14-19.

［10］中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊（第一卷）［M］.北京：北京機械工業出版社，2003：721-722.

［11］胡蔭平.電站鍋爐手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：677-697.

［12］PERBOLAKSONO J，AHMAD J，KHINANIA，et al.Failure Case Studiesof SA213-T22Steel Tubesof Boiler Through Computer Simulations［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2010，23（1）：98-105.

［13］徐芝綸.彈性力學（上冊）［M］.北京：高等教育出版社，2006：63-67.

［14］XU L J，Jamil A.Khan，CHEN Z H.Thermal Load Devim ion Model for Superheater and Reheater of Autility Boiler［J］.ThermalEngineering，2000（20）：545-558.

［15］于磊.600 MW超臨界直流鍋爐高溫再熱器熱偏差計算與分析［D］.南京：東南大學，2011.

［16］陳歡.某660MW超超臨界直流鍋爐運行特性分析及過熱器熱偏差計算與分析［D］.南京：東南大學，2015.

The Influence of Steam-side Oxide Scale on the SuperheaterTube Temperature

YAO Yushan1，LIDaizhi2，ZHOU Keyi1
（1.Schoolof Energy and Environment，SoutheastUniversity，Nanjing 210096，China；2.Jiangsu Engineering Consulting Center，Nanjing210003，China）

For the problem of overheating caused by unevenly heating of high-temperature heating surfaces along the w idth direction in large coal-fired boilers，a detail study have been performed on the final superheater of 600 MW supercritical coal-fired boiler.Based on the prediction of oxide scale grow thmodel and the heat deviation calculation，the influence of the oxide scale grow th on tube temperaturewas analyzed.Results show that tube temperature increaseswith the grow th of oxide scale，which w ould lead to local temperature over-run of the superheater tube and decline of creep rupture life，thus the effect of oxide scaleon tube temperature should be considered in theheatdeviation calculation.

oxide scale；tube tem perature；the heatdeviation；creep rupture life

TK222

A

1009-0665（2016）05-0010-04

姚余善（1987），男，江蘇揚州人，碩士研究生，主要從事電站鍋爐熱偏差研究；

李代智（1983），男，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事火電機組性能分析、故障診斷和經濟運行方面的研究；

周克毅（1955），男，江蘇泰州人，博士生導師，主要從事電站鍋爐方面研究。

2016-04-12；

2016-05-31

國家自然科學基金項目（51176031）