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新建600MW机组高温再热器管氧化皮堆积分析及预防措施

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 145次

摘要: 对某电厂锅炉高温再热器SA213-TP347H钢管弯头进行氧化皮堆积测量,结果发现高温再热器下弯头处存在较为明显的氧化皮堆积,并割管得以确认。通过取管样进行硬度实验、拉伸实验、金相组织观察和能谱分析表明,硬度检验结果符合DL/T 438-2009标准要求;力学性能检验结果符合GB 5310-2008标准要求,管样横截面金相组织为奥氏体,能谱分析可得氧化皮主要成分为Fe、Cr、Ni的氧化物。奥氏体不锈钢氧化皮存在明显分层,内层氧化皮的Cr和Ni含量较高,Fe和O含量相对较低,具有抗氧化作用,外层氧化皮的Fe和O含量相对较高,Cr和Ni含量较低,导致其外层氧化皮不具备抗氧化的能力,且在内外层的界面处会产生聚集的孔洞,在启停机等温度变化过程中产生应力,导致氧化皮的外层脱落。最后提出了防止高温再热器管氧化皮剥落的几点预防措施。

关键词:  SA-213-TP347H;高温再热器;氧化皮

中图分类号:TK223.3         文献标志码:A         文章编号:

Formation Causes and Preventive Measures of the Scale of 600MW Unit High Temperature Reheater Tubes

Li Zhenliang  Xu Weixian  Ke Hao  Wang Xi

(Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou Zhejian 310030, China)

Abstract: It was found obvious accumulation of scale at the elbow of a high temperature reheaters, by measuring scale accumulation of boiler high temperature reheater SA213-TP347H steel pipe of a power plant. By hardness test, tensile test, optical microscopy and spectroscopy analysis of the pipe sample, it was showed that hardness test results meet DL / T 438-2009 standard requirements; mechanical properties test results meet GB 5310-2008 standards. The microstructure of cross-sectional sample is austenite. EDS analysis result shows that the scale mainly composed of Fe, Cr, Ni oxide. There is obvious stratification in the scale of austenitic stainless steel, The inner layer scale has higher levels of Cr and Ni, Fe and O content is relatively low, which has antioxidant. Fe and O content of the outer layer of skin is relatively high, low Cr and Ni content, leading to its outer oxide does not have the ability of anti-oxidation. There are  gathered holes between the inner and outer layers. Temperature change process will produce stress, resulting in oxidation of the outer layer of skin off. Finally, a few precautions to prevent the scale spalling are proposed.

Key words: SA-213-TP347H steel; high-temperature reheat; scale


 

随着我国电力需求量的剧增和对节能环保要求的进一步提高,发展大容量、高效率、超(超)临界参数火电机组是当前的主流趋势[1]SA-213-TP347H奥氏体不锈钢不仅具有良好的抗晶间腐蚀性能、抗高温氧化性能、蠕变性能,而且焊接及热加工性能优良,已广泛应用在国内超临界大容量电站锅炉之中。相对于300MW等级甚至更小规模机组而言,600MW等级机组虽然降低了煤耗、但是由于运行参数大幅度提高,金属材料的壁温裕量却大为减小,特别是锅炉过热器和再热器,由于其工作的环境条件恶劣,长期处于高温烟气和高温高压的蒸汽中,产生氧化皮脱落容易引起爆管。高参数锅炉管的蒸汽氧化及氧化皮剥落问题由于其蒸汽氧化机理和氧化皮剥落机制非常复杂,影响因素都很多,已经成为国内外发电行业共同面临的一个棘手问题。

某电厂锅炉型号为DG1900/25.4-II8,过热蒸汽流量1900 t/hBMCR),过热蒸汽出口压力25.5Mpa.g,过热蒸汽出口温度571℃,再热蒸汽流量1617.5 t/h,再热蒸汽出口压力4.46Mpa.g,再热蒸汽出口温度569℃,高温再热器管材质为SA-213 TP347HSA-213 T91,规格为Φ50.8×4mm。在对高温再热器下弯头进行氧化皮堆积测量时共发现17根管子弯头处存在着不同程度的氧化皮堆积,其射线拍片结果和割管取样结果如图1-2所示。

 

高温再热器管子炉后侧下弯头射线拍片结果

Fig.1  Elbow-ray film results of High temperature

reheater tube furnace under the rear elbow

部分高温再热器弯头割管后取出的氧化皮

Fig 2 The scale of the high-temperature reheat elbow tube

1 试验方法及结果

1.1常温拉伸试验

在现场取样管进行拉伸实验,结果如表1所示。管样符合标准GB 5310-2008的拉伸性能要求。

1 取样管拉伸试验结果

Table 1  Tensile test results of samples

编号

屈服强度/MPa

抗拉强度/MPa

断后伸长率/%

高温再热器

345

685

43.0

GB 5310-2008要求

≥205

≥550

≥35

 

1.2 硬度试验

对取样管进行洛氏硬度试验,共测量4个点,结果表2所示,管样符合标准DL/T 438-2009的硬度要求。

2  取样管上硬度值(HRB

Table 2  The hardness results of samples (HRB)

样品名称

测点1

测点2

测点3

测点4

平均值

标准要求

高温再热器

174

166

164

163

167

140~192

1.3 显微组织分析和能谱分析

利用Leica DM 2500 M型金相显微镜对取样管进行显微组织观察,结果图3所示,其组织为奥氏体,并对氧化皮的厚度进行测量,测量可得界面氧化皮的厚度为66.04μm

 (a)

(b)

取样管的的显微组织(a)及其氧化皮的测厚(b

Fig. 3 The microstructure of the sample tube (a) and oxide thickness measurement (b)

为了了解氧化皮到基体元素的变化,利用Tescon VEGA 3 LMU型扫描电子显微镜进行线扫描,结果如图4所示,其中红色代表的是氧元素的含量;浅绿色代表的是铁元素的含量;黄色代表的是铬元素的含量;紫色代表的是镍元素的含量。并利用Oxford X-act型能谱仪对氧化物进行分析,可得氧化皮主要成分为FeCrNi的氧化物。

4 取样管横截面线扫描结果

Fig 4 Line scan results of sampling tube cross section

5 取样氧化皮的XRD结果

Fig 5 The XRD results of the scale of sampling

2 分析及讨论

从实验结果可以看出:力学性能检验结果符合GB 5310-2008标准的要求,硬度检验的结果符合DL/T 438-2009标准要求,金相组织为奥氏体,符合GB 5310-2008标准要求,其中可以看出氧化皮厚度为66.04μm,且存在明显的分层,内层的氧化皮厚度约为40.98μm。对氧化皮试样进行XRD实验,结果可得氧化皮主要成分为FeCrNi的氧化物。从元素扫描可以看出,氧元素的含量从基体到外层呈增加的趋势,外层的氧化皮氧元素含量最高;铁元素的含量外层氧化皮和基体的含量基本相同,内层氧化皮的铁元素含量较低;铬元素和镍元素均是内层氧化皮的含量和基体基本相同,外层氧化皮的含量较低。

奥氏体不锈钢TP347H存在明显分层,内层氧化皮的CrNi含量较高,FeO含量相对较低,具有抗氧化作用,外层氧化皮的FeO含量相对较高,CrNi含量较低,导致其外层氧化皮不具备抗氧化的能力,且在内外层的界面处会产生聚集的孔洞,在氧化皮堆积到一定厚度后,启停机等温度变化过程中产生应力,导致氧化皮的外层脱落。

文献[2]指出氧化皮形成的主要原因是高温氧化,此外还受锅炉设计结构、运行方式、运行时间、加氧量、水质、高温受热面管屏的几何形状、管子直径、管子弯头弯曲半径及高温受热面进出口压差等因素影响。氧化皮的剥落的主要原因有两:1、氧化皮生成达到一定的厚度;2、温度、压力等环境的变化。

3 结论

综合上述分析,氧化皮在高温运行的时氧化,并逐渐分层,氧化皮中的元素也发生了移动,导致外层氧化皮CrNi含量降低,O含量增加,并在内外层氧化皮的界面上产生聚集的孔洞,导致外层的氧化皮较为容易脱落;由于氧化皮和基体的热膨胀系数存在差异,在温度变化较快时,会导致存在着较大的应力,堆积到一定厚度的氧化皮产生剥落。

氧化皮脱落会给发电机组带来以下5点危害[3-4]:

(1)会导致锅炉受热面内部堵塞,使锅炉金属受热面发生局部过热而爆管,特别是在机组启动和停炉过程中,或者是机组运行过程中负荷变化太快,管内氧化皮剥落的机率都较高。

(2)剥落的氧化皮会被高速蒸汽携带进入汽轮机中,并撞击汽轮机的喷嘴和叶片,造成损失;

(3)剥落的氧化皮沉积于汽机主汽门阀芯和阀座之间,会导致主汽门卡涩;

(4)剥落的氧化皮随凝结水流动会堵塞输水管;

(5)剥落的氧化皮还会造成机组的汽水品质恶化等不良影响。

因此,对此次发现的高温再热器问题,提出的以下处理建议:

(1)建议对氧化皮测量仪表显示值超标的管子割管进行氧化皮清理。

(2)鉴于#2锅炉仅运行一年,高温再热器下弯头已存在较为明显的氧化皮堆积情况,建议电厂每次停炉检修期间都进行氧化皮专项检测。

(3)建议严格控制锅炉横断面各管屏温度的偏差,加强受热面的热偏差监视和燃烧调整,改善烟道温度场的分布及受热面管子的吸热均匀性,有效降低受热面管子的壁温偏差和汽温偏差,防止受热面局部超温运行,并建立壁温监测台帐。

(4)建议在锅炉启、停及升、降负荷过程中,严格控制升温升压或降温降压速率。

(5)建议严格控制给水的品质及加氧量,在加氧过程中严格检测热力系统中氧量。

 

 

 

参考文献

 

 

[1] 李振梁,王甲安,肖旻砚. 高温再热器SA-213TP347H钢管爆裂原因分析[J]. 金属热处理,2015.8,40(8)

[2]张俊伟. 锅炉高温受热面管氧化皮检测分析[J]. 内蒙古电力技术,2015,33(1)

[3]尹成武,杨洪全。高温受热面管氧化皮生成机理研究进展[J]. 西安工业大学学报,2013.2,33

[4]刘定平. 超(超)临界电站锅炉氧化皮生产剥落机理及其防爆关键技术研究[J]. 华南理工大学,2012.4

 


 

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