電站鍋爐關鍵部件材料高溫蒸汽氧化研究進展

蘇建芳 張宗彬

（河南華電金源管道有限公司 河南鄭州 450000）

電站鍋爐關鍵部件材料高溫蒸汽氧化研究進展

蘇建芳 張宗彬

（河南華電金源管道有限公司 河南鄭州 450000）

受到特殊服役環境影響，對于電站鍋爐來說，應具備良好的關鍵材料特性。一方面，應符合力學性能需要。另一方面，應具備耐高溫腐蝕性。只有這樣，鍋爐機組運行過程中，才能實現更加安全，才能更加可靠，凸顯出經濟性特點。本文針對鍋爐合金材料進行相關分析，就高溫蒸汽氧化方面予以一定闡述。

電站鍋爐；關鍵部件；材料；高溫蒸汽；氧化；研究進展

對于電站鍋爐來說，需要科學控制關鍵部件材料。所謂關鍵部件，通常包括高壓鍋爐管件，相關主蒸汽管道，同時還包括集箱管道等。對于這些部件，高溫蒸汽氧化下，從性能要求方面來說保持較為一致?，F階段，由于受到氧化層隔熱方面影響，容易導致金屬超溫現象，同時可能引起氧化皮脫落。一旦堵塞彎頭等部位，容易導致超溫爆管現象。而對于已經出現脫落氧化物顆粒，容易造成汽輪機沖蝕。機組運行過程中，無論是安全性方面，還是經濟性方面，普遍遭受嚴重影響。

1 低合金鋼

在鍋爐關鍵材料中，低合金鋼屬于重要組成部分。從低合金鋼物理化學性質來說，Cr含量通常不會超過3％的要求。對于該類鋼來說，無論是力學性能方面，還是耐腐蝕性能方面，普遍較為有限[1]。因而一般在應用過程中，蒸汽溫度不能過高，需要不超過560℃。對于此種規格鍋爐管道，才能相對較為適用。比方說，水冷壁管道，或者低級過熱器管道。

研究表明，對于低合金鋼結構來說，位于鍋爐蒸汽側部位，一旦產生氧化作用，其氧化層結構方面，一般屬于多層結構。如果溫度不超過570℃，關于生成氧化膜從組分方面來說，主要包括氧化鐵以及氧化鉻。而氧化物內層如果存在鉻元素以及鍶元素，能夠充分起到減緩氧化的作用[2]。如果溫度超過570℃，氧化膜還會包括氧化亞鐵。而對于氧化亞鐵來說，一般位于最內層，同時具備不致密特點。因而對于整個氧化膜來說，穩定性容易遭到破壞，造成氧化膜脫落現象。基于氧化動力學角度來看，同樣有所體現。研究證明，對于低合金鋼來說，蒸汽氧化階段，從動力學曲線方面進行分析，發現與線性規律較為接近。然而，Cr含量一旦出現加大，其抗氧化性能方面，也會得到較為明顯的提升。

針對低合金鋼的性質，鍋爐設計開展過程中，通常不被當成最高部件?；诖耍秃辖痄撽P注過程中，一般更多考慮成本或者加工方面。雖然從原理上講，加大Cr元素含量，能夠在一定程度上促進抗氧化性。然而，應充分考慮成本角度，基于這個角度，我們才能予以科學的合金選型。

2 9～12％鉻鋼

與低合金鋼進行比較，9～12％鉻鋼物理化學性質方面，明顯存在更加優良的熱強性，同時耐腐蝕能力方面，非常良好。在過熱器管道，蒸汽管道等方面，具有一定程度應用。然而，對于蒸汽側來說，容易產生氧化層脫落現象，因而在一定程度上限制了其運用。

9～12％鉻鋼來說，介于一定使用溫度內，一旦出現溫度變化，合金抗氧化方面，性能優劣容易遭受影響[3]。研究表明，抗蒸汽氧化水平方面，隨著溫度不斷發生變化，明顯發生類似于鐘形的規律特點。如果溫度介于600～700℃范圍之內，此時難以產生保護性氧化膜結構。如果溫度大于700℃，但是沒有達到800℃，此時就會出現保護性氧化膜結構，但是氧化速率普遍不高。一旦溫度開始逐漸升高，由于合金內部鉻元素不足，容易造成氧化膜保護性降低。

研究表明，通過改變使用溫度，氧化膜結構性質同樣容易改變。一般來說，氧化皮主要包括兩層，氧化皮最外層來說，屬于含鐵氧化產物。而氧化層內層含有一定鉻元素。在內外層界面部位，通常容易出現孔洞。研究表明，溫度位于650℃條件下，氧化膜外層一般包括三氧化二鐵以及四氧化三鐵。而對于內層來說，通常主要成分包括氧化鉻[4]。溫度位于800℃條件下，對于氧化膜外層來說，主要成分包括氧化鉻。對于內層來說，主要成分包括三氧化二鉻。

概括來說，9～12％鉻鋼本身性質方面，高溫蒸汽氧化下，抵抗能力存在一定不足?，F階段，諸多研究表明，借助于改善合金成分，能夠充分實現抗氧化性增強，蒸汽環境條件下，如果溫度位于650℃左右，抗氧化性能方面來說，能夠實現顯著提高。

3 奧氏體鋼

關于奧氏體鋼，普遍存在熱強性高的特點，同時抗氧化性能方面，普遍較為優良。在使用溫度方面，能夠一直加大到650℃左右。現階段，對于超超臨界機組，屬于首選材料。對于奧氏體鋼來說，鉻元素含量較高，因而合金從性質方面來說，抗蒸汽氧化水平得到較為有效提高。然而，合金內部結構中，耐蝕元素含量存在差異，晶粒度方面，同樣有所不同，因而對于此類合金來說，抗蒸汽氧化水平具有一定不同。

TP304H從性質方面來說，高溫蒸汽氧化過程中，容易出現雙層氧化膜結構。對于外層來說，主要包括鐵氧化物，易形成脫落。而對于其致密內層，普遍含有較為豐富的鉻元素[5]。一旦服役時間過長，對于外層來說，容易產生大面積剝落現象。經過我國賈建民等教授研究，通過表面噴丸作用，能夠充分實現錯密度提高。與此同時，鉻元素擴散通道得到有效加大。氧化膜層結構內部，鉻元素濃度能夠得到充分提高。然而，通過進行噴丸處理，影響程度究竟如何，噴丸強度是一大關鍵，氧化溫度同樣較為重要。在特殊熱加工下，借助于細化晶粒措施，同樣能夠實現性能增強。

對于奧氏體鋼來說，通過提高其鉻元素含量，同樣能夠實現性能增強。經過研究，對于氧化層結構來說，運行時間一旦持續加大，從氧化進程方面來說，就會容易達到停滯狀態。在初期產生的三氧化二鉻膜作用下，鋼氧化速率容易出現下降。

4 高溫合金

關于高溫合金，明顯存在更強大高溫強度特性。從合金成分方面來說，包括鎳元素以及鈷元素，因而使其具備一定耐蝕能力。對于此類合金而言，鉻元素含量普遍較高，通常超過20％。由于鉻元素含量足夠高，因而位于合金表面，單層三氧化二鉻膜實現有效生長。根據氧化膜成分，通常主要包括三氧化二鉻。從合金元素組成方面來看，同樣仍然夾雜氧化鉻。然而，對于合金內部來說，一旦出現鉻元素含量較低，氧化膜構成方面，同樣容易引起改變。

對于鉻元素來說，雖然屬于抗氧化能力較為重要因素，然而對于高溫合金來說，元素體系較為復雜，因而合金結構內部，其他元素同樣容易造成影響，我們同樣不容忽視。研究表明，針對合金內部，通過進行少量鍶元素添加，可以充分實現二氧化鍶生成。鉻離子擴散作用，能夠得到一定阻礙。而針對合金內部來說，通過添加適量鋁元素，合金抗腐蝕方面，能夠實現有效提高。

5 結束語

本文針對鍋爐合金材料進行相關分析，就高溫蒸汽氧化方面予以一定闡述。對于電站鍋爐來說，關鍵材料方面，應該不僅符合力學性能規范，而且具備良好抗高溫腐蝕特點。只有這樣，機組運行過程中，才能真正實現更加安全，滿足可靠性要求，同時具備經濟學特點。

[1]遲成宇，于鴻垚，謝錫善，等.600℃超超臨界電站鍋爐過熱器及再熱器管道用先進奧氏體耐熱鋼的研究與發展[J].世界鋼鐵，2012（4）：50～65.

[2]王艷麗.簡述電站鍋爐產品制造過程中的質量控制[J].黑龍江冶金，2012（3）：25～26.

[3]李 陽，王巖.700℃A-USC電站鍋爐材料專利分析與研究[J].材料導報，2013（z2）：148～152.

[4]溫吉利，馮冰瀟，符棟良，等.電站鍋爐材料質量問題及解決方案[J].質量與標準化，2015（5）：48～51.

[5]成丁南，張知翔，邊寶，等.5種電站鍋爐過熱器用材料高溫腐蝕試驗研究[J].動力工程學報，2012（11）：891～897.

[6]張斌.淺談機械設計制造及其自動化的發展方向[J].科教導刊-電子版（下旬），2015（5）：141.

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2015-12-28