PDF《犜犘304犎 奥氏体锅炉管高温运行显微特征》

304劝率咸骞芨呶略诵邢晕⑻卣 龙会国,龙毅,陈红冬 ( 湖南省电力公司试验研究院, 长沙4

1 0

0 0

7 ) 摘要:对某电厂高温运行6

2 0

0 0h的1

0 2

1 t / h锅炉用T P

3 0

4 H 奥氏体不锈钢屏式过热器夹持管弯头部分取样, 进 行金相检验、 力学性能分析和微区能谱分析等试验分析, 研究了粗晶奥氏体不锈钢过热器长时间高温运行时材料的 微观结构特征.

研究结果表明: 锅炉管运行时的腐蚀介质、 壁温以及运行应力对材料微观结构影响较大.烟气侧腐 蚀程度比蒸汽侧严重, 从烟气侧向蒸汽侧壁厚方向, 材料晶间腐蚀程度先由强到弱, 管壁中间最弱, 然后晶间腐蚀程 度又逐渐略为加重. 关键词:冷加工成型;

晶间腐蚀;

应力腐蚀裂纹;

奥氏体不锈钢;

T P

3 0

4 H 钢 中图分类号: T G

1 7

2 .

8 文献标识码: A 文章编号:

1 0

0 5

7 4

8 X(

2 0

1 0 )

0 8

0 6

2 7

0 4

304 遄 LONGHuiguo,LONGY i , C H E N H o n g d o n g ( H u n a nE l e c t r i cP o w e rC o m p a n yT e s t a n dR e s e a r c h I n s t i t u t e , C h a n g s h a

4 1

0 0

0 7 , C h i n a ) :InvestigationsofbendT P

3 0

4 Ht u b e i n a n

1 0

2 1 t / hb o i l e rw h i c ho p e r a t e d a t h i g h t e m p e r a t u r e f o r

6 2

0 0 0h w a sc a r r i e d o u tb y m e a n so f m e t a l l u r g i ci n s p e c t i o n ,e n e r g y d i s p e r s i v e X r a y ( E D X)a n d o t h e rt e s t s .T h e m i c r o s t r u c t u r e a n dm o r p h o l o g yf e a t u r e so fT P

3 0

4 Ha u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l t u b eo p e r a t e da th i g ht e m p e r a t u r ef o r l o n gt i m ew e r e i n v e s t i g a t e d .T h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o r r o s i v em e d i a , t u b ew a l l t e m p e r a t u r ea n ds t r e s sh a dg r e a t i n f l u e n c eo nm i c r o s t r u c t u r e o fT P

3 0

4 Ht u b e . I n t e r g r a n u l a r c o r r o s i o n i n t h e g a s s i d ew a sm o r e s e v e r e t h a n t h a t i n t h e s t e a ms i d e . F r o mt h e s t e a ms i d e t o t h e g a s s i d e a l o n g t h ew a l l d i r e c t i o n t h e i n t e r g r a n u l a r c o r r o s i o nw e a k e n e d f i r s t l y , a n dr e a c h e d t h e l i g h t e s t i n t h em i d d l eo f t h ew a l l , a n dw a s i n t e n s i f i e ds l i g h t l y t h e n . :coldforming;

intergranularcorrosion;

stresscorrosionc r a c k ;

a u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e e l ;

T P

3 0

4 Hs t e e l

0 引言粗晶奥氏体不锈钢具有高的热强性、 优良的耐 蚀性、 高温机械性能和良好焊接性, 因而在大型电站 锅炉及核电部件制造方面得到了广泛的应用, 但经 验表明, 这类不锈钢管在运行中抗高温蒸汽氧化性 能较差, 在电站锅炉过热器和再热器运行过程中会 出现严重的蒸汽侧氧化皮剥落, 氧化皮堵塞锅炉管 后引起 严重超温, 从而引发爆管事故的频繁发生[

1 -

3 ] .此外, 高温运行中, 奥氏体不锈钢容易产生 晶间腐蚀, 在电站锅炉及核电运行过程中容易发生 高温晶间腐蚀, 引发事故[

4 -

7 ] . 本工作以运行了6 . 2万h的TP304H奥氏体 不锈钢锅炉分隔屏夹管炉膛下部弯头为例, 研究其 收稿日期:

2 0

0 9

0 9

1 4 ;

修订日期:

2 0

0 9

1 0

0 9 联系人: 龙会国, 工程师, s i v y l o n @

1 6

3 . c o m 高温运行特征.锅炉管取自3

0 0 MW 亚临界中间再 热自然循环汽包燃煤锅炉, 锅炉为单汽包、 单炉膛、 平衡通风、 中间一次再热、 固态排渣、 四角切圆燃烧 方式, 露天戴帽布置, 亚临界压力, 自然循环, 挡板调 温和全 钢构架.最大连续蒸发量(BMC R)

1 0

2 1 t / h , 高温过热器出口蒸汽压力1

8 .

2 4M P a , 高温过 热器出口蒸汽温度

5 4

0 ℃.分隔屏夹管材质为 T P

3 0

4 H, 规格为

5 1mm* 6mm.

1 运行环境分析 在煤粉火焰中, 由于煤的灰质中含有碱金属的 矿物质, 燃烧过程中会与其它成分反应生成氢氧化 物( R OH) 、 硫酸盐( R

2 S O 4) 、 硅酸盐( R

2 S i O 3) 和硫 化物( R

2 S ) 等, 硫酸盐有利于灰沉积在管壁氧化膜 上.引起过热器和再热器烟侧腐蚀的是复合硫酸盐 R

3 F e ( S O 4) 3, 在温度5

5 0 ~

7 1 0℃ 之间该复合硫酸 盐成熔化状态, 起腐蚀作用.因此, 腐蚀大部分在迎 ・

7 2

6 ・ 第3 1卷第8期2010年8月 腐蚀与防护 C O R R O S I O N &P R O T E C T I O N V o l .

3 1 N o .

8 A u g u s t

2 0

1 0 风面, 靠近金属壁面的腐蚀产物为 F e

3 O

4 及硫化 物, 外层为碱金属硫酸盐, 最外层为沉积的飞灰[

8 -

1 1 ] . 取样管为分隔屏夹持管下部弯头部位, 位于炉 膛中部, 是受烟气温度辐射比较严重的部位, 从热力 计算书可知, 满负荷运行时, 烟气温度在1

1 3

6 . 1~

1 3

2 2 . 8℃之间, 管子内部蒸汽温度在3

9 2 .

2 ~

4 2

1 .

6 ℃之间, 而管壁温度则可能达到4

9 8~5

4 7℃, 管子 外表温度可以达到5

3 3 ~

7 0 4℃.可见, 对于分隔屏 夹持管下部弯头部位完全暴露在炉膛烟气中, 受到 烟气辐射最为严重, 由于满负荷运行时烟气温度在

1 1

3 6 .

1 ~

1 3

2 2 . 8℃之间, 管子外部附着物( 烟灰等) 呈熔融态, 会恶化管子外部环境. 锅炉管内水蒸汽对管壁金属的氧化行为有显著 影响, 在高温运行环境下, 水蒸汽与铁直接反应, 生 成氢气, 氢可渗透穿过氧化膜, 从而对金属氧化行为 产生重要影响.水蒸气对铁基合金的氧化速度、 氧 化膜结构和合金元素的选择性氧化有显著影响[

1 2 ] . 锅炉过热器在热态运行过程中除了自重的影响 外, 一般还会受到管内蒸汽压力及热应力等的影响. 炉内过热器在稳态工况下温度沿管截面径向由内向 外依次升高, 管截面等效应力始终表现为拉应力, 由 内向外先下降后又略有上升[

1 3 ] .且过热器弯管还 会受到附加周向应力以及壁厚不均等形状因素引起 的应力集中的影响, 此外向火侧受热强度大, 热应变 也较大.所以, 弯头材料易于损伤[

1 4 ] .

2 取样分析与讨论

2 .

1 常规力学性能分析 对取样管进行化学成分、 力学性能分析, 如表

1 、 2所示, 结果均符合 A S TMS A

2 1

3 /

2 1

3 M 标准[

1 5 ] 要求. 表1 化学成分分析结果 ( 质量分数, %) 元素 C S i S P C r N i F e 试样 0.

0 6

0 0.

4 5 0.

0 1

8 0.

0 2

0 1 8.

4 0 9.

3 4 余量 A S TMS A

2 1

3 /

2 1 3M0.

0 4~0.

1 0 ≤1.

0 ≤0.

0 3

0 ≤0.

0 4

51 8. 0~2 0.

0 8. 0~1 1.

0 余量 表2 抗拉强度分析结果 试样编号

1 2

3 4 m, M P a

6 0

9 6

0 6

6 0

3 6

0 1 A S TMS A

2 1

3 /

2 1

3 M ≥5

1 5M P a

2 .

2 微观组织分析 金相取样位置为夹持管蒸汽出口侧小角度(

1 7 ° ~

3 0 ° ) 弯头附近, 即炉右出口侧弯头角度为2

4 ° 位置 附近.用蔡司光学显微镜对分隔屏泄漏管进行显微 组织分析, 从内壁向外壁壁厚方向显微组织见图1 所示. 由图1 ( a ) 可见, 内壁裂纹尖端有分叉, 沿晶开 裂, 附近组织有少量晶间腐蚀迹象.由图1( b ) 可见, 晶间腐蚀程度相对轻些.由图1( c ) 可见, 烟气 侧外表面存在微裂纹, 晶间腐蚀程度相对严重.综 上可知, 蒸汽侧显微裂纹宽度较烟气侧显微裂纹窄, 向外扩展深度深, 裂纹尖端扩展较为明显, 可见裂纹 扩展较快.而烟气侧显微裂纹张口宽, 但深度较浅, 尖端钝化且有明显氧化痕迹, 与蒸汽侧显微裂纹相 比, 向内侧扩展不明显.蒸汽侧显微裂纹较烟气侧 扩展快, 是由于在运行和启停过程中, 管内壁受到的 轴向拉应力较外壁大, 且腐蚀介质不同, 导致腐蚀方 式存在差异. ( a ) 内壁蒸汽侧 ( b ) 壁厚中间部位 ( c ) 外壁烟气侧 图3 分隔屏泄露管显微组织 图2为蒸汽侧依次向烟气侧方向的管壁显微组 织图, 从图2可知, 蒸汽侧晶间腐蚀程度明显比烟气 侧弱, 由蒸汽侧向烟气侧, 沿壁厚方向, 材料晶间腐 蚀程度依次为( a ) >( b ) , ( b ) 、 ( c ) 基本相当, ( c ) < ( d )