1000MW機組鍋爐受熱面奧氏體不銹鋼管內壁氧化皮檢測技術的研究與應用

國家電投集團協鑫濱海發電有限公司 趙子斌

1 背景目的

為保障機組的安全運行，提前對受熱面用奧氏體不銹鋼進行氧化皮情況排查，并進行持續跟蹤檢測，可有效防止因氧化皮問題引發的非計劃停機事故，并對提高電廠效益、延長機組使用壽命有著巨大的意義。

2 受熱面奧氏體不銹鋼的分析和研究

日本住友金屬株式會社和三菱重工共同開發的用于超超臨界鍋爐過熱器管不銹鋼SA-213S30432（10Cr18Ni9NbCu3BN），經由試驗驗證，該奧氏體不銹鋼管具有以下優秀性能：耐高溫強度更佳，在高溫下，可抗塑性變形直至斷裂的強度更佳、金屬不易與蒸汽氧化產生反應物、抗高溫腐蝕性能更佳。具體表現為：處于60℃的溫度中，該不銹鋼管的耐高溫強度高于TP321H 和細晶粒TP347HFG；當處于650℃超高溫環境中，該不銹鋼管的耐高溫強度比ASTM SA-213TP347H 高出約1.5倍；相比于TP347H，不銹鋼管的抗塑性變形、抗斷裂性能較好；與細晶粒TP347HFG 相比，不銹鋼管處于高溫環境中的穩定性較高，不易與高溫高壓蒸汽氧化產生金屬氧化物；該不銹鋼管的抗腐蝕性能相比TP304H 較高。

SA-213S30432是在SA-213TP304H 的基礎上使SUPER304H 有了更細的晶粒，為了達到降低不銹鋼化合物成分中金屬錳的含量，可向其中加入3℃的金屬銅與0.45%的金屬鈮，再加入適量氮氣，使得不銹鋼在服役過程中能產生顆粒直徑較小、彌漫于空氣中，并在γ-Fe 中的間隙固溶體中沉淀的富銅相，富銅相能夠更好適應不銹鋼管的結構，二者互相切合。

不銹鋼管中產生的富銅相與碳化鈮、氮化鈮、氮化鈮鉻、M23C6質點的彌散強化獲得非常好的強化，達到了高溫強度、長期塑性以及抗腐蝕性能的最佳組合。其高溫蠕變強度不需靠合金元素W、Mo 的強化獲取，而在這一結構中不銹鋼管能承受的最大應力值比當前使用較為廣泛的SA-213TP347H 鋼較高，約其0.2倍，當處于700℃的高溫環境中，不銹鋼的允許承受的最大應力值可高達49MPa，由于其承受應力值較大，已成為目前超超臨界鍋爐的過熱器和再熱器中使用廣泛的材料之一，也是許用應力很高新型經濟型奧氏體不銹鋼。

由于超超臨界鍋爐的過熱器管經常處于較高溫度的環境中工作，容易在鋼管表面產生高溫高壓蒸汽導致腐蝕，因此需要不銹鋼鋼材具有較高抗腐蝕性能，因此本文經過研究，在過熱器管中使用SA-213TP310H 不銹鋼。該不銹鋼材料中含有鉻、鎳金屬元素的成分相對較高，在高溫環境中金屬結構相對穩定，耐腐蝕性能較好，但該不銹鋼材料在高溫環境中容易發生形變，且材料的允許承受最大應力值小于或等于SA-213TP304H。

此外，由于普通不銹鋼材料SA-213TP310H鋼在低溫穩定相析出后，由于在外力作用下會產生較小的形變或斷裂現象，因此在TP310H 不銹鋼中增添了N、Nb 元素獲得HR3C 鋼。HR3C（25Cr-20Ni-Nb-N）鋼與普通的SA-213TP310H 鋼化學成分的區別是增加0.20%～0.60%的Nb 元素和0.15%～0.35%的N 元素，這就使其高溫性能得到了很大的提高。HR3鋼處于高溫環境中的耐腐蝕性能較好，且處于高溫高壓蒸汽環境中不易與其反應產生金屬氧化物，相比普通SA-213TP310H 鋼的允許承受最大應力值較高。

3 奧氏體不銹鋼氧化皮產生原因分析

鍋爐高溫受熱面管內壁因金屬鈍化形成的氧化膜并非因水汽中溶解的空氣中分子態氧與金屬鐵發生氧化反應而形成，而是水汽中含有的氧化鐵形成鈍化膜。在高溫環境中，高溫高壓蒸汽的氫離子與氧離子分離，在氫離子作用下，鍋爐受外界高溫致使鋼管內溫度較高產生的水蒸汽具有較強的氧化性。溫度在450～570℃，水蒸汽會和純鐵反應產生Fe2O3和Fe3O4還會釋放氫氣。溫度繼續升高，超過570℃時，以氫氧原子結構形式是水蒸汽中多數水分子的存在形式，氧化反應的需要條件因大量的氧原子而得到滿足，使得氧化反應速率加快。由生鐵精煉成的熟鐵與水蒸汽反應生成含有鐵的金屬氧化物，如三氧化二鐵和四氧化三鐵在反應過程中產生氫氣。此外，氧化鐵在氧化反應過程中的產生速率高于四氧化三鐵，氧化鐵會繼續生成四氧化三鐵。綜上所述，不可避免產生高溫蒸汽氧化現象。

在氧化反應過程中，水蒸汽中反應生成的氧氣含量，在穩定溫度條件下鐵處于蒸汽中所具有的壓力、水蒸汽流速、不銹鋼組成成分、反應溫度、反應時間、不銹鋼在高溫氧化作用產生的腐蝕物成分等因素與鋼鐵氧化產生的腐蝕物形成有關。一般來說，若反應溫度較高且反應時間越長，介質中氧氣的氣體分壓較高，水蒸汽流速較快，鋼鐵氧化腐蝕物的生成速率加快。不銹鋼鋼管壁的溫度與其氧化速度有關，即溫度越高，氧化速度加快；抗氧化性能愈好，氧化速度愈慢。

4 氧化膜（氧化物）剝落機制

高溫爐管內壁氧化層脫落的原因：在過熱器、再熱器奧氏體鋼管子內壁高溫蒸汽氧化初始生成的氧化產物與管壁附著牢固，結構致密；后期，金屬會進一步氧化，逐漸生成新的氧化層。由于新的氧化反應所需氧必須滲透外層氧化膜后接近或到達金屬表面，因此氧氣不能快速并充分與金屬反應生成高氧化物。奧氏體不銹鋼管內壁氧化膜比較疏松，與金屬基體結合不夠緊密，因此氧化膜容易從金屬基體中剝落。

管內壁氧化膜外層是由少量Fe3O4和Fe2O3組成，都屬于亞氧化物，都有可能向高氧化物轉變。因此，隨著時間的延長，管子內壁氧化皮的厚度會不斷增加，氧化層的成分也隨著時間不斷改變。多層之間的成分變化所產生的應力、各層之間的膨脹系數差別會產生熱應力與外界應力等因素的作用下，會產生氧化層剝落。

氧化皮剝離因素有：一是管內壁垢層累積到一定厚度。二是變化幅度大、速度快、頻度大的溫度因素。在約280℃的溫度區間，金屬材料與氧化層膨脹系數差別會達到極大值，結合面處的應力也達到極大值，氧化層最容易剝落[1]。

5 氧化皮的預控

5.1 啟動階段

機組在啟動前應該按照相關規定嚴格開展系統沖洗工作，不能只追求啟動速度，在啟動的各個階段應嚴格把控水質?？刂泣c火后的升溫速率應該保持在1.5K/min 以下，短時間內最大不超過3K／min。機組啟動過程中要開展吹管工作，將雜物排出，保持旁路開度較大，使用大流量蒸汽吹管。嚴格把控沖轉期間的各項參數，盡可能減少氧化皮對汽輪機的有害因素。啟動階段嚴控減溫水使用，一般通過燃燒控制啟動溫度、壓力，最好不使用減溫水。

5.2 正常運行階段

屏式過熱器、高溫過熱器和高溫再熱器需要保持蒸汽溫度在水流流動過程中沿管道內壁產生的摩擦阻力的恒定，防止由于蒸汽溫度數值變化較大導致鋼鐵氧化形成的腐蝕物脫落。不銹鋼管道內壁在工作過程中需要控制內壁溫度變化，控制在合理數值范圍內，若內壁溫度變化超出數值范圍，通過調節各個部位燃料燃燒情況、控制開關閥等手段效果不明顯，必須立即采取降參數或者降低鍋爐組件輸出功率的方法，控制內壁溫度在允許溫度數值的最大值或最小值中運行，在運行過程中對內壁溫度變化進行嚴格監控。

通過燃燒每千克煤產生的蒸氣量來調整主熱汽壓力溫度，控制降低蒸汽溫度純水的投入量，少量多次，根據不同溫度階段的變化進行投入，使得減溫器過熱前后的溫度差值在200℃內，防止溫度呈階梯式快速下降導致鋼鐵氧化產生的腐蝕物脫落。調整燃燒器幾何平面中心火焰來控制再熱蒸汽溫度，或應用抑制氮氧化物生成的煙氣再循環方法控制再熱蒸汽溫度，避免投入過多的降低蒸汽溫度的純水，且無法控制純水的單次投入量。需要對受熱部位的管道中蒸汽焓增數值變化進行監控，并調整焓增變化情況，對管道內壁鋼鐵氧化產生的腐蝕物的脫落情況進行調查記錄，以提升鍋爐的使用壽命，對其進行實時的檢修?？赏ㄟ^改變工業鍋爐中的給水處理方式，即通過除氧器運送到水泵進入鍋爐內部的化學水，降低鍋爐給水的含鐵量，降低鍋爐不銹鋼鐵管內壁的氧化鐵對于管道內壁空間的填充速度，降低鍋爐受熱面氧化皮沉積速率。

閱讀理解一直在語文教學中被老師擺在突出的位置。這不僅僅是因為它在應試教育的考試中占到了相當一部分的分數，更在于它可以使學生感受到作品中所蘊含的人文內涵。它可以使學生與作者在深度交流中尋求共鳴，從而理解作者的思想，使自己受到啟發。創新教育教學方式，培養閱讀意識，加強閱讀訓練，才能真正提高閱讀能力。

5.3 停爐階段

鍋爐停爐階段，需要將鍋爐進行降溫，控制降溫速率小于5℃/min，不可因其他因素使得降溫速率過快，盡量減少降低蒸汽溫度的純水投入，隨著鍋爐溫度降低到一定數值，在不需要繼續投入降低蒸汽溫度的純水來控制溫度數值變化時，需要立即將純水隔離，防止控制純水流入的閥門滲漏，使得鍋爐在停止運行時仍有溫度較低的水進入鍋爐管道中，造成管道內壁的鋼鐵氧化產生的腐蝕物掉落。

一般來說，需要在鍋爐停止工作10h 后再進行通風，盡量避免在空氣流速過快的地方，控制高溫過熱器的排煙溫度，當二次風熱風溫度與鍋爐室內溫差≤125℃時，將爐底除渣位置的水封打開使冷空氣流入，主汽壓力下降到1MPa 以下，需要將鍋爐內存余的水放出。若鍋爐處于事故狀態，需要保證鍋爐各部件正常運行的情況下手動主、熱汽壓力溫度的變化速率及各個組件的輸出功率，使得鍋爐能夠得到平均降溫并冷卻，最后采取停機操作，鍋爐將要完全冷卻時，需要控制主熱氣壓力的溫度與壓強的下降速率，降低鍋爐受熱部位的溫度下降速度。

5.4 氧化皮監測

通過金相、割管，磁通檢測技術、射線檢測，對受熱面奧氏體不銹鋼氧化皮進行檢查監測。對爐內所有區域異種鋼接頭加強無損檢測，將異種鋼接頭失效的風險把控到最低，給予機組安全穩定運行強有力的支持。

6 氧化物檢測方法的分析和研究

6.1 射線透視法檢測法

對于氧化物的檢測，射線透視檢測法是比較傳統的檢測手段，其主要是對受熱面最下彎頭進行射線透視，通過膠片上的影像檢查受熱面管壁內氧化物剝落和堆積情況。該檢測方法雖能直觀地得出檢測結果，但由于受檢測條件的影響，最終獲得的射線底片不能真實反映實際情況，檢測結果也會出現較大偏差，甚至無法判斷是否存在氧化物堆積；射線檢測對工期要求較長，工作量較大，檢測結果的評判帶有主觀性。

6.2 磁性檢測法

主要使用剩磁法、提升力法檢測奧氏體不銹鋼彎管內部氧化皮的堆積量。和傳統方法相比，此技術具有：一是準確度高。割管抽查的方法是盲目、隨機的，抽查的時候常常發生漏檢，并且會因為抽查割管而造成不必要的焊口，由于焊口的增多，增大了受熱面的安全風險。二是無危害，環保。射線檢測會給周圍的人和物帶來一定的輻射傷害，并且工作量大，由于受熱面管屏間距的狹小，射線設備受限于空間制約，拍片質量亦很難保證。三是便捷，工期短。奧氏體不銹鋼氧化皮無損檢測設備體積小，使用靈活，檢測過程中不受電源、灰塵、振動等外部因素干擾，并可進行交叉作業，工作效率高，可大大縮短檢修工期。

6.3 磁性檢測法的研究

通過檢測管道內氧化物磁場強度的大小，可以反映出管道內氧化皮的量。檢測時，在受熱面不銹鋼管施加一個特殊設計的低頻磁場，由于管道內具有鐵磁性氧化皮或其他異物，會感應出一個電磁場，通過專用磁電轉換霍爾原件，磁場被轉換為與之對應的多路弱點信號，同時另一路基準通道會得到空間磁場對應的弱電感應信號，上述信號去除電磁干擾和本體噪聲經過相同的前置處理進行比較，來提取有效的信號。最后轉換設備，將信號轉換為數據、圖像，通過試驗對比，建立與實際相應的評判標準[2]。

剩磁檢測法決定性因素主要有以下三點：一是剩磁感應強度與內部氧化皮堆積量的關系。磁化后，氧化皮的堆積量與剩磁磁感應強度成正比。二是內部氧化皮堆積量與提升力的關系。磁化后，氧化皮的堆積量越多，外部磁場對氧化皮的提升力也越強。三是相同不同規格管道金屬材料內部氧化皮堆積量與剩磁感應強度的關系。當產生較少氧化皮堆積量，材料規格對外部磁場作用下的氧化皮提升力影響不大，隨著氧化皮堆積量的越多，壁厚越厚，提升力則越弱。

因此，在檢測開始前，需要通過與現場相應規格、材質的不銹鋼管子試驗，將對比后的數據進行分析，對設備進行調試，以獲得和生產現場相應的工作環境所能檢測到的真實情況。

7 總結分析

建議發電公司應做到“逢停就查、及時清理”，只要是“逢停就測、及時清理”的鍋爐，氧化皮脫落堵塞風險都得到良好地控制，沒有做到“逢停就測、及時清理”的鍋爐，累積多的氧化皮就算短時間內不發生爆管泄漏，氧化皮的堆積也會形成管道內的節流，造成管道超溫，加劇管壁氧化惡性循環，甚至發生爆管，為安全穩定運行埋下隱患。