2012年10月 电 力 科技 与 环 保 第28卷 第5期 超超临界锅炉高温管道内壁氧化皮的研究进展 Review on oxidation scale of ultra supercritical boilers in——wall tube with high temperature 程小谷 ,徐开华 (1.暨南大学理工学院,广东广州510632;2.华南理_丁大学电力学院,广东广州510640) 摘要:分析了国内外超超临界锅炉高温管内氧化皮的研究现状,对高温受热面管内氧化皮的分析方法进行了归类, 指出了目前的研究存在的不足之处。对目前的试验研究给予了建议,为进一步对高温管道的抗氧化性研究提供了 发展方向,同时对提高机组的安全稳定运行具有重要的意义。 关键词:超超临界锅炉;氧化皮;形成;剥落 Abstract:The research status of the oxidation scale on the ultra supercritical boilers in—wal ltube with high tern— peratu re at home and abroad are analyzed.and the analysis method of oxidation scale is classified.Some deft. ciencies about the present study existence have been pointed out.It is ve ry important that the boiler operate safely and steadily.The proposals of the experimental study are given,which could provide the development di・ rection of oxidation scale study for fu rther.Meanwhile it has important significance for improving the safe and stable operation of the units. Key words:ultra supercritical boilers;oxidation scale;formation;exfoliation 中图分类号:TM621.2 文献标识码:B 文章编号:1674—8069(2012)05—042—04 0 引言 随着我国经济持续、快速地发展,电力需求旺 超临界机组;涉及的爆管部位有水冷壁管道,过热器 管道和再热器管道;涉及的管材不仅有常用的铁素 体钢T22、T23、T91等,也有奥氏体不锈钢TP304、 Super 304H、TP347H等,其中18—8系列的粗晶奥 盛。为了满足节能与环保的要求,我国新投产的火 力发电机组逐步向大容量、超超临界参数方向发展。 氏体不锈钢管蒸汽侧的腐蚀比常见的铁素体钢管更 为突出。现有的锅炉管道蒸汽侧的腐蚀及剥落规律 都只是针对单一的管材进行研究,为了系统地揭示 高温管道的腐蚀及剥落机理,有必要对目前国内外 的研究现状进行全面的归纳与总结,为进一步对高 温管道的抗氧化性研究指明方向,以期待找到防治 氧化皮剥落的有效对策。 超超临界锅炉蒸汽参数已提高到560 clC~650℃, 25 MPa~30MPa 。超超临界锅炉能大幅度提高循 环热效率,降低发电煤耗;但相应地对运行操作水平 和受热面金属材料的性能要求更高。特别是在超超 临界 况下工质水动力特性变化导致受热面的传热 特性发生变化,致使锅炉高温受热面管道易发生蒸 汽侧氧化腐蚀。由于氧化皮的剥落会引起锅炉受热 面堵塞,使得蒸汽流通截面积减少,导致超温爆管事 故;剥落的氧化皮颗粒随蒸汽的流动还可以造成汽 轮机前级叶片和喷嘴等的冲蚀,以及引起汽门卡涩 等,严重影响着锅炉管道部件和汽轮机运行的安全 性和经济性。 西安热工研究院有限公司的研究结果表明,目 1 国外相关研究 早在上世纪50年代末,国外的相关研究机构就 发现锅炉过热器和再热器的腐蚀现象,其剥落的氧 化皮会引起锅炉管道的堵塞和汽轮机的主汽门的卡 涩以及固体颗粒侵蚀(SPE)的问题。 为了解决这些问题,各国已近对锅炉管道内壁 的抗氧化性问题展开了一系列的研究。2005年美 前国内有20多个电厂都先后出现过锅炉管内壁腐 蚀及氧化皮的剥落问题,德国、澳大利亚、美国等也 发生过这方面的问题 ,涉及的机组既有蒸汽出口 设计温度为540℃左右的亚临界机组,570℃左右的 国能源部和俄亥俄州煤炭开发办公室就已联合推}}{ 了“超超l临界燃煤发电厂锅炉材料”项目,Babcock &Wilcox 研究中心对20多种铁素体、奥氏体、镍 基合金钢和涂层材料进行实验室研究,得到不同材 超临界机组,也有蒸汽出口温度为600℃左右的超 42 2012年 程小谷等:超超临界锅炉高温管道内壁氧化皮的研究进展 第5期 料的抗氧化性能。文献[4]从理论上研究了恒温环 境下金属基体氧化物生长诱导应力会使金属/氧化 层产生弯曲的现象,分析了氧化层和金属基体的应 力大小和分布情况,并提出了一种基于应力分析非 线性蠕变变形模型。文献[5]通过试验研究了超临 界锅炉铁素体耐热钢(HCM2S,NF616,HCM12A)的 氧化速率与温度和压力的相关关系。文献[6]采用 力学分析方法研究了具有耐温涂层的超合金钢循环 氧化的失效过程,阐述了氧化皮的抛物型生长规律 和氧化皮断裂失效规律。文献[7]研究了微量元素 (AI,Cr,Si,Ni等)对合金材料在水蒸汽环境下氧化 物形成过程的影响和氧化物的形态特征。文献[8] 利用光学显微镜、扫描电子显微镜、能量色谱仪和辉 光放电发射光谱分析了钢材在模拟超临界条件下的 氧化动力学特性。文献[9]中开展了高温合金管内 氧化膜厚度与温度和运行时间的关系研究,提出了 氧化皮厚度经验计算公式。 从上述各国外相关机构和学者的研究可知,只 是针对单一管材的氧化皮生成及剥落规律进行了研 究,但如何结合超临界锅炉运行状态,研究高温受热 面管内氧化皮生成、剥落和氧化动力学机制至今还 未见报道。 2 国内相关研究 近年来,我国超超临界机组投运台数和运行时 间日益增加,高温管内蒸汽腐蚀、氧化皮形成和剥落 问题越来越突出,引起了国内学者对氧化皮生成、剥 落机理及氧化动力学特性问题的广泛关注,并展开 了一系列的研究。 文献[10]通过试验分析,研究得到了18—8系 列粗晶奥氏体不锈钢过热器和再热器蒸汽侧氧化皮 的宏观和微观结构与形貌特征。文献[11]研究了 某热电厂350 MW机组过热器和再热器T22钢管内 壁氧化皮的化学成分和组织结构,探讨了T22钢在 高温蒸汽装氧化皮的微观特征和氧化皮形成过程。 文献[12]通过试验研究了奥氏体不锈钢AL一6XN 在550℃,600 oC和650℃超临界水中的腐蚀行为, 观察分析了氧化膜的腐蚀形貌、组织结构及元素成 分分布。文献[13—14]研究了T91钢在空气介质、 水蒸汽和氩气混合介质中的恒温氧化行为,并研究 了T91钢热浸镀铝和退火后样品在90%Ar+10% H O气氛中的高温循环氧化行为。文献[15]通过 数值模拟研究了T92钢氧化皮厚度与温度的关系。 文献[16]研究0.3 mm厚的Ni 20.3Cr 4.6Co2.1A1 合金薄板在高温空气中的氧化行为及高温氧化动力 学规律。文献[17]对超临界锅炉管道喷涂层的微 观组织结构和高温冲蚀磨损规律进行研究,并与20 钢进行对比分析。文献[18]阐述了超(超)临界锅 炉高温受热面蒸汽氧化皮的晶粒特点,重点分析了 铁素体钢和奥氏体钢蒸汽氧化皮的结构特征及其生 成和脱落现律。研究指出,高温受热面蒸汽氧化皮 的产生是不可避免的,应进一步研究各种运行条件 对氧化皮程度、结构形态和剥落机理的影响,以便从 机组的运行方式、检修策略和控制理念等各方面来 预测和防止氧化皮的危害。文献[19]研究T91钢 在高温空气及高温高压水蒸汽条件下的氧化层剥落 机理。对T91钢锅炉再热器管高温空气和高温高压 水蒸汽条件下的氧化层形貌进行了观察,结果发现: 高温空气环境下遵循“界面裂纹穿透破裂剥落”机 理;T91钢在高温高压水蒸汽环境下氧化层遵循“纵 向裂纹不穿透破裂剥落”机理。文献[20]通过20 g 钢在360℃,18.67MPa水蒸汽条件下的氧化试验, 用静态增重法测定了20 g钢的氧化动力学曲线,其 氧化动力学遵循抛物线规律,对氧化膜进行了扫描 电镜、x射线衍射和能谱分析。 通过对国内相关研究的分析可知,超(超)临界 锅炉高温管内氧化行为机理及剥落行为的研究将成 为超临界锅炉高温受热面常用合金钢及其氧化控制 的重要课题,其研究仅从氧化皮的晶粒结构和外貌 特征或氧化过程方面展开已经无法满足电力生产对 其理论的要求。针对超(超)临界锅炉高温受热面 常用铁素体钢及奥氏体不锈钢材料,从本质上系统 揭示其蒸汽侧受热面的腐蚀及氧化皮剥落规律,如 何防止氧化皮的生成及剥落,已成为解决超(超)临 界锅炉高温受热面管内氧化皮问题所面临的紧迫任 务研究和重点。 3 高温受热面管内氧化皮的分析方法 3.1 氧化皮的形成研究 3.1.1 氧化皮的宏观形貌观察 氧化皮的宏观行为观察是对氧化皮的结构、成 分及氧化动力学特性研究的初始阶段。一般通过爆 管现场或是机组检修过程中收集到的氧化皮剥落物 作为试验样品,可以对氧化皮的宏观形貌进行表征。 43 2012年10月 电 力 科技 与 环 保 第28卷 第5期 这些只能从氧化皮的宏观尺寸、形状和颜色等方面 进行描述,对于氧化皮的微观组成及性能特征必须 借助一些先进的仪器设备进行分析。 3.1.2氧化皮的微观结构 从目前已了解的国内外文献可知,一般利用光 学金相显微镜(如SEM)对氧化皮样品进行金相图 谱分析。它可以对管道内壁的氧化皮和剥落的氧化 皮断面结构和形貌特征、厚度、管道内壁的各层氧化 皮的金相组织进行观察分析,可以归纳总结出氧化 皮的结构和形貌特征。另外两种常用到的仪器为x 射线衍射仪(XRD)和能量光谱仪(EDS)。对氧化 皮的剥落物进行X射线的衍射分析和对氧化皮剥 落物两面呈不同颜色的氧化物进行能谱分析,可以 得到氧化皮的化学成分以及其百分比,此外对氧化 皮的横断面进行微区能谱分析,可以得到元素的分 布情况。这些分析过程是研究氧化皮的形成机理必 不可少的步骤。 3.1.3 氧化皮的形成机理 超超临界锅炉用钢在运行过程中极易被氧化, 在不同温度条件下,氧化膜的形成机制各不相同。 在较低温度下,氧化膜的形成可分两步: Fe“+2OH一一Fe(OH)2 (1) 3Fe(OH)2—}Fe3O4+H2+2H2O (2) 在高温条件下,钢与水可直接反应生成磁性铁 氧化膜Fe O ,反应式如下: 3Fe+4H2O Fe3O4+4H2 (3) 一般温度不同时形成的氧化皮的结构也会不 同 ,当在570 cI=以下时生成的氧化膜由Fe O 和 Fe O 组成,此时的氧化膜结构比较致密,因而可以 避免基体金属进一步被氧化。但是当温度超过 570℃时,氧化皮则由Fe:O 3、Fe O 和FeO三层组 成,FeO处于最内层,Fe,O 在中间层,Fe:O,在最 外层。由于FeO致密性较差,结构疏松,晶格缺陷, 导致破坏了整个氧化膜的稳定性,同时又受到外界 的作用,使得基体金属不断与水蒸汽发生反应,产生 腐蚀,从而大大降低了管道的抗氧化性能。 3.2氧化膜的生长研究 对氧化膜的生长研究也就是寻求金属的氧化动 力学规律。金属的腐蚀程度一般用氧化膜的厚度或 单位面积上的增重量Am来表示,描述氧化皮的生 长规律一般用金属氧化动力学曲线表示。研究表 明,金属氧化动力学曲线一般符合直线、抛物线、对 44 数和反对数曲线。金属氧化动力学的规律与温度时 间,钢材的成分以及外界的环境氛围有密切的关系。 直线型规律表明了此种钢材氧化皮的厚度随着时间 的推移不断增大,间接地揭示了此类型的氧化膜疏 松多孔,没有形成比较稳定的保护层,这类氧化膜不 能抑制金属的腐蚀行为。大多数金属或合金的氧化 动力学曲线基本上符合抛物线的规律,表明了氧化 膜的生长速率与氧化膜的厚度成反比关系,主要是 由于在金属或合金表面生成了一层保护性的氧化 膜。其氧化反应的速率主要取决于合金中的金属离 子和氧离子的扩散速率。当机组在停炉或负荷变化 较大时导致温度的变化幅度过大,氧化动力学曲线 会发生畸变从而会偏离平方抛物线。在较低温度氧 化膜的生长符合对数或反对数曲线的规律,且此时 的氧化膜厚度相对较薄。 目前,国内外学者几乎都是在实验室的条件下 模拟电厂的运行状况,进行氧化动力学研究,主要用 到的仪器设备是高温氧化热重分析仪。虽然在实验 室能得到氧化皮的增重曲线,以及氧化皮厚度方程, 但是这不能充分证明锅炉管道内壁的氧化动力学规 律符合这类曲线和方程。这主要是因为在实验室的 条件下难以调整蒸汽的流量以及压力,且反应的时 间比较短,与锅炉实际运行中的条件相差甚远。这 些试验性的结论只能为氧化皮的形成及剥落提供理 论性的参考。 3.3氧化皮的剥落机理 Evans 对平板样品上氧化膜在压应力下产生 开裂与剥落,提出了两种典型类型。第一类型是: 膜/基体结合力强度大于氧化膜自身强度。初始阶 段在氧化膜内形成剪切裂纹,在膜/基体界面非粘附 区发生剥落,剥落后残留氧化膜局部应力松弛,热应 力得到释放。这是由于金属基体与氧化膜的线性膨 胀系数相差较大导致的。 第二类型是:膜/基体界面结合力弱于氧化膜自 身强度。在压应力作用下,首先膜与基体局部发生 非接触区域,在应力下非粘附区沿边缘扩散,同时氧 化膜发生塑性变形,造成氧化膜起皱形成空泡,局部 产生拉应力,最后气泡开裂,氧化膜剥落。这是由于 氧化皮内形成连通的孔洞从而导致氧化皮附着于基 体的应力减小从而导致剥落。 目前,大多数学者都是以第一种类型为理论基 础进行了氧化剥落机理的研究。他们认为,金属基 2012生 程小谷等:超超临界锅炉高温管道内壁氧化皮的研究进展 第5期 体和蒸汽侧氧化皮的以及氧化皮各层氧化物之间的 线性膨胀系数之间相差较大,同时氧化皮的脆性很 大。由于机组在停炉或负荷变化较大的情况下,很 容易造成热应力的不同,从而造成氧化层的开裂与 resistant steels for ultra supercritical boilers[J].Corrosion Engineer— ing.2001,50(2):50—56. [6]Chan K S.A mechanics~based approach to cyclic oxidation[Jj. Metallurgical and Materials Transactions,1997,(A28):411—422. f 7 1 Saunders S R J,Monteiro M,Rizzo F.The oxidation behaviour of met- als and alloys at high temperatures in atmospheres containing water 脱落。但目前对于氧化皮剥落的本质原因的探讨还 显得不够成熟,且各种影响因素的作用也需要进一 步的进行试验模拟。 vapour:A review[J].Progress in Materials Science,2008,(53):775 ..837. [8]Martin B,Liisa H,Timo S,et a1.Characteristion of corrosion films on 4 结语 (1)综合目前国内外的研究的现状,超超临界 锅炉蒸汽侧管道的腐蚀及氧化皮的剥落问题是一个 世界共性的难题,也是保证机组的安全性及稳定性 运行需要克服的困难。 (2)目前大多数学者只是“基于个案”的对高温 管道的抗氧化性能开展研究,主要包括从某些电厂 部分材料管内氧化皮的宏观形貌特征与组织结构进 行个案分析,或者采用数值计算研究合金钢氧化行 为及相关因素的影响。这些很难从本质上系统地揭 示氧化皮形成、生长及剥落规律,也无法提出预防和 减缓氧化皮生长和剥落的成套方法。 (3)由于条件的限制目前有关锅炉高温管道蒸 汽侧氧化皮的研究只能进行实验室模拟,这造成了 试验条件与电厂的实际运行状况相差甚远,故得到 的结论不具备很强的说服力,只能为理论研究提供 一定的参考。因此,开发条件接近电厂锅炉实际运 行状况的试验将是进一步研究新型耐热钢内壁氧化 皮生长及剥落的发展方向。 (4)目前有些学者在氧化膜的开裂与剥落上提 出了两种典型的观点,但是对其本质原因的探讨还 显得不够成熟,且各种影响因素的作用也需要进一 步的试验验证。 参考文献: [1]朱宝田,周荣灿.进一步提高超超临界机组蒸汽参数应注意的问 题[J].中国电机工程学报,2009,(29):95—100. 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