電站鍋爐末級(jí)過熱器內(nèi)壁氧化皮分析

鮑俊濤，張啟禮，金學(xué)峰

(廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 佛山 528251)

0 引言

電站鍋爐高溫受熱面管子在運(yùn)行期間，其內(nèi)壁長(zhǎng)期與高溫蒸汽接觸容易形成氧化皮，并隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增厚，導(dǎo)致管子傳熱效率降低，容易造成管壁超溫甚至發(fā)生爆管事故。

近年來，由于不斷有內(nèi)壁氧化皮造成的鍋爐受熱面管超溫爆管事故發(fā)生，氧化皮的形成機(jī)理及預(yù)防措施日益受到重視，氧化皮一方面會(huì)造成管壁實(shí)際溫度高于預(yù)期，另一方面還會(huì)因管壁承載面積的減小導(dǎo)致應(yīng)力升高，因此通過檢測(cè)受熱面管內(nèi)壁氧化皮厚度來估算管子的實(shí)際運(yùn)行溫度，并由此來預(yù)測(cè)管子的剩余壽命對(duì)指導(dǎo)企業(yè)制定檢修計(jì)劃、預(yù)防超溫爆管事故有重要意義。

1 鍋爐概況

某電廠一臺(tái)300 MW 亞臨界機(jī)組鍋爐由上海鍋爐廠生產(chǎn)，于1993 年投入使用，至今已服役超過20 年，累計(jì)運(yùn)行約13 萬h，主要參數(shù)：額定蒸發(fā)量為1 025 t/h，過熱蒸汽出口溫度為540 ℃，過熱蒸汽出口壓力為18.3 MPa，再熱蒸汽出口溫度為540 ℃，再熱蒸汽出口壓力為3.65 MPa。為掌握該鍋爐末級(jí)過熱器管實(shí)際服役狀況及剩余壽命分布情況，企業(yè)計(jì)劃對(duì)該鍋爐末級(jí)過熱器進(jìn)行內(nèi)壁氧化皮檢測(cè)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果對(duì)其進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

2 氧化皮現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

金屬管內(nèi)表面氧化皮的生成是金屬被高溫水蒸氣氧化的結(jié)果。通常認(rèn)為，當(dāng)蒸汽溫度高于400 ℃時(shí)，金屬管內(nèi)表面就會(huì)發(fā)生氧化。其結(jié)構(gòu)組成分以下兩種情況。

(1) 在570 ℃以下，生成的氧化皮由Fe2O3和Fe3O4組成，見圖1。由于兩者都比較致密，不易脫落，因而可以保護(hù)金屬基體避免被進(jìn)一步氧化。

圖1 低于570 ℃時(shí)氧化皮的結(jié)構(gòu)

(2) 當(dāng)溫度超過570 ℃時(shí)，氧化皮由Fe2O3，F(xiàn)e3O4和FeO 三層組成，F(xiàn)eO 處于最內(nèi)層，致密性差，結(jié)構(gòu)疏松，會(huì)破壞整個(gè)氧化皮的穩(wěn)定性。在鍋爐啟停或改變負(fù)荷時(shí)，氧化皮容易脫落在管子彎頭部位堆積，這種情況以超臨界鍋爐中奧氏體不銹鋼材料尤為典型。

該鍋爐過熱蒸汽出口設(shè)計(jì)溫度為540 ℃，且鍋爐運(yùn)行期間超溫現(xiàn)象并不明顯，可以認(rèn)為末級(jí)過熱器的內(nèi)壁氧化皮結(jié)構(gòu)應(yīng)為第(1)種情況。現(xiàn)場(chǎng)氧化皮檢測(cè)采用德國卡爾德意志（KARL DEUTSCH）檢測(cè)儀器設(shè)備有限公司的ECHOGRAPH 1090型超聲波測(cè)厚儀，說明書給出的最小檢測(cè)厚度為0.05 mm，但實(shí)際檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)氧化皮厚度小于0.1 mm 時(shí)該儀器難于識(shí)別，因此認(rèn)為該儀器的最小檢測(cè)厚度約為0.1 mm。

2.1 末級(jí)過熱器氧化皮檢測(cè)

末級(jí)過熱器的檢測(cè)部位為管屏下部靠爐前的直管段，測(cè)點(diǎn)位于下彎頭往上1.5 m 處，檢測(cè)結(jié)果見表1，由于ECHOGRAPH 1090 型超聲波測(cè)厚儀能檢出的最小氧化皮厚度約為0.1 mm，因此未能測(cè)得氧化皮回波信號(hào)的爐管，其氧化皮厚度均用小于0.1 mm 表示；末級(jí)過熱器內(nèi)壁氧化皮厚度分布圖見圖2。

表1 末級(jí)過熱器內(nèi)壁氧化皮檢測(cè)結(jié)果

圖2 末級(jí)過熱器管內(nèi)壁氧化皮厚度分布情況

2.2 結(jié)果分析

從圖3 中可以看出末級(jí)過熱器內(nèi)壁氧化皮厚度分布大致呈現(xiàn)出兩側(cè)厚度大、中間厚度小的規(guī)律，且由于B 側(cè)爐管材料為T91，其合金含量高，抗氧化能力強(qiáng)，因此其氧化皮厚度比材料為G102 的A側(cè)爐管氧化皮厚度薄。

另外，根據(jù)電廠爐管壁溫監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)得的末級(jí)過熱器壁溫分布圖(見圖3)，末級(jí)過熱器壁溫的監(jiān)測(cè)結(jié)果也呈現(xiàn)出兩側(cè)溫度高、中間溫度低的規(guī)律，這與氧化皮檢測(cè)結(jié)果非常吻合，能反映末級(jí)過熱器的實(shí)際服役過程中的溫度分布狀況。

圖3 末級(jí)過熱器管壁溫分布情況

3 實(shí)驗(yàn)室分析

3.1 氧化皮測(cè)量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，T91 材料的管子內(nèi)壁氧化皮厚度普遍較薄，取樣分析意義不大，故此次取樣管材質(zhì)均為G102，共取樣4 根。

對(duì)取樣管段，首先采用ECHOGRAPH 1090型超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行內(nèi)壁氧化皮測(cè)厚(實(shí)測(cè)值)，然后經(jīng)切割加工后在金相顯微鏡下測(cè)量?jī)?nèi)壁氧化皮厚度(金相值)，兩種方法的測(cè)厚結(jié)果列于表2。

表2 取樣管氧化皮測(cè)厚結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)兩種方法測(cè)得的內(nèi)壁氧化皮厚度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種方法測(cè)得的結(jié)果非常接近，最大誤差0.03 mm。另外，從氧化皮微觀形貌可以看出，氧化皮在管子內(nèi)壁呈厚薄不均的分布形態(tài)，上述誤差可以理解為是測(cè)點(diǎn)位置偏差引起的。因此可以認(rèn)為，采用ECHOGRAPH 1090 型超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行末級(jí)過熱器管內(nèi)壁氧化皮測(cè)厚是可靠的。

3.2 剩余壽命預(yù)測(cè)

工程上，最常用的蠕變壽命預(yù)測(cè)方法為L(zhǎng)arson-Miller 公式(L-M 參數(shù)法)，西安熱工研究院有限公司在以往壽命評(píng)估技術(shù)的基礎(chǔ)上研究發(fā)現(xiàn)，部件的狀態(tài)和壽命與材料的逐漸老化密切相關(guān)，因此發(fā)展了老化定量評(píng)定技術(shù)，提出了采用老化因子Ca來定量描述老化狀態(tài)的新方法，認(rèn)為高溫部件的壽命取決于溫度、應(yīng)力、時(shí)間、材料老化等四個(gè)基本因素，其蠕變壽命評(píng)估L-M 參數(shù)法基本方程改為如下形式：

式中，f(σ)為熱強(qiáng)參數(shù)，是應(yīng)力的函數(shù)；T為試驗(yàn)溫度(K)；tr為斷裂時(shí)間(h)；C 為材料常數(shù)；Ca為材料的老化因子，可表征為布氏硬度、球化級(jí)別、抗拉強(qiáng)度等的函數(shù)。

以在金相顯微鏡下測(cè)得的內(nèi)壁氧化皮厚度為準(zhǔn)，采用廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院與西安熱工研究院共同研發(fā)的“電站鍋爐風(fēng)險(xiǎn)管理與壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)”對(duì)末級(jí)過熱器進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，在文獻(xiàn)[5]種共包括4 種壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)于末級(jí)過熱器其主要失效機(jī)理為高溫蠕變，故采用基于蠕變失效機(jī)理的L-M 參數(shù)法進(jìn)行蠕變壽命預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果列于表3。

表3 末級(jí)過熱器剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

壽命預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，3 號(hào)取樣管內(nèi)壁氧化皮厚度達(dá)0.27 mm，其剩余壽命46 834 h，在今后運(yùn)行過程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控，必要時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行更換；其次為2 號(hào)取樣管，其內(nèi)壁氧化皮厚度為0.19 mm，剩余壽命83 104 h，應(yīng)對(duì)其氧化皮厚度進(jìn)行監(jiān)控；1 號(hào)取樣管和4 號(hào)取樣管內(nèi)壁氧化皮厚度分布為0.13 mm 和0.15 mm，其剩余壽命均超過10 萬h，有較大壽命裕度，滿足繼續(xù)服役要求。

對(duì)照取樣管剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)內(nèi)壁氧化皮厚度最大為0.182 mm，其剩余壽命應(yīng)接近10 萬h，均有較大壽命裕度，滿足繼續(xù)服役要求。

4 結(jié)束語

(1) 通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行氧化皮檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)采用ECHOGRAPH 1090 型超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行內(nèi)壁氧化皮測(cè)厚的結(jié)果與電廠爐管壁溫監(jiān)測(cè)的結(jié)果非常吻合，能反映鍋爐末級(jí)過熱器管子溫度分布規(guī)律。

(2) 通過在實(shí)驗(yàn)室微觀條件下測(cè)量取樣管內(nèi)壁氧化皮厚度，發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與采用ECHOGRAPH 1090 型超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行內(nèi)壁氧化皮測(cè)厚的結(jié)果非常接近，最大誤差0.03 mm，考慮到測(cè)點(diǎn)位置略有不同氧化皮厚度也會(huì)有變化，可以認(rèn)為采用ECHOGRAPH 1090 型超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行內(nèi)壁氧化皮測(cè)厚的結(jié)果是可靠的。

(3) 通過對(duì)取樣管進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，內(nèi)壁氧化皮厚度為0.27 mm 的3 號(hào)取樣管剩余壽命僅為46 834 h，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，必要時(shí)應(yīng)更換。

(4) 對(duì)照取樣管剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)內(nèi)壁氧化皮厚度最大為0.182 mm，其剩余壽命應(yīng)接近10 萬h，均有較大裕度，滿足繼續(xù)服役要求，但在今后檢修期間應(yīng)加強(qiáng)高溫受熱面內(nèi)壁氧化皮厚度普查工作，并結(jié)合壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，制定詳細(xì)的檢修計(jì)劃，避免和減少超溫爆管事故的發(fā)生。