630 ℃鍋爐高溫過熱器/高溫再熱器系統材料選擇及其抗氧化措施

賴仙紅， 楊華春， 敬仕煜， 楊小川

(1. 東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001；2. 機械工業高溫高壓材料與焊接工程實驗室，四川自貢 643001)

在我國能源工業中，火力發電具有重要的基礎地位。提高機組蒸汽參數是降低煤耗的主要途徑[1]。為節約煤炭資源，提高機組經濟性和環保性，國內正積極推進籌建630 ℃鍋爐[2]。

與常規600 ℃/600 ℃鍋爐相比，620 ℃/630 ℃超超臨界鍋爐的過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度分別提高了20 K、30 K，導致高溫過熱器(簡稱高過)/高溫再熱器(簡稱高再)系統的受熱面、出口集箱、出口集箱管座的壁溫也相應提高。高再出口集箱筒體壁溫最高可達到640 ℃左右，管座壁溫可能達到650 ℃左右，而受熱面高溫段壁溫可能接近700 ℃，高溫用材的強度和高溫抗蒸汽氧化性能都面臨重大考驗。

筆者對630 ℃鍋爐高過/高再系統候選材料的許用溫度、許用應力、高溫抗蒸汽氧化性能等進行對比分析，同時對高溫抗蒸汽氧化措施進行介紹，以為鍋爐用材的選擇提供技術參考，確保鍋爐安全可靠運行。

1 候選材料對比分析

1.1 受熱面選材

高過/高再系統受熱面管選材候選材料有S30432(SUPER 304H)、TP310HCbN(HR3C)、S31035(Sanicro 25)和SP2215等，均為奧氏體耐熱鋼。

1.1.1 材料許用溫度

S31035和SP2215屬于新鋼種，我國TSG 11—2020 《鍋爐安全技術監察規程》(簡稱鍋爐規程)還未列出其最高許用溫度，其最高許用溫度參考相應的材料標準執行。受熱面候選材料的最高許用溫度見表1。S30432、TP310HCbN、S31035和SP2215的最高許用溫度均能滿足高過/高再系統受熱面的使用需求。

表1 受熱面候選材料的最高許用溫度

1.1.2 材料許用應力

受熱面管候選材料的最大許用應力見表2。S31035、SP2215、S30432、TP310HCbN的最大許用應力均比TP347H等常規18-8奧氏體耐熱鋼高出不少。

表2 受熱面候選材料的最大許用應力

1.1.3 高溫抗蒸汽氧化性能

圖1[3]為蒸汽參數為700 ℃、10 mm/s時，1 000 h奧氏體耐熱鋼的高溫抗蒸汽氧化性能對比。

圖1 700 ℃、10 mm/s下1 000 h后奧氏體耐熱鋼的對比

圖2為蒸汽參數為650 ℃、27 MPa時，奧氏體耐熱鋼的高溫抗蒸汽氧化性能對比。

圖2 650 ℃、27 MPa時奧氏體耐熱鋼的對比

目前，暫無TP310HCbN和SP2215高溫抗蒸汽氧化性能直接試驗數據的對比，但考慮到TP310HCbN和SP2215都屬于粗晶類鋼，其高溫抗蒸汽氧化性能主要取決于Cr含量，提高Cr含量可以提高其高溫抗蒸汽氧化性能[4]。TP310HCbN的Cr質量分數為24.0%～26.0%，而SP2215中Cr質量分數為22.0%～24.0%，故TP310HCbN的高溫抗蒸汽氧化性能應優于SP2215。因此，結合圖1、圖2的結果，幾種材料的高溫抗蒸汽氧化性能從優到劣依次為S31035、TP310HCbN、SP2215、S30432。

綜上所述，從材料的最大許用應力看，S31035最高，SP2215其次，S30432再次，TP310HCbN相對最低；從高溫抗蒸汽氧化性能看，S31035最好，TP310HCbN其次，SP2215再次，S30432相對最差。但無論如何，以上材料的高溫抗蒸汽氧化性能和最大許用應力均遠遠優于TP347H等常規18-8奧氏體耐熱鋼。

與S30432和TP310HCbN相比，S31035和SP2215均具有較高的強度和較好的高溫抗蒸汽氧化性能，可將其用于高過/高再系統受熱面的高溫段，高過/高再系統受熱面溫度稍低段仍可使用S30432和TP310HCbN。

1.2 出口集箱及管座選材

對于集箱等厚壁部件，應盡可能選擇較高熱導率和較低熱膨脹系數的鐵素體耐熱鋼，以避免嚴重的熱疲勞損壞[5]，候選材料有T/P92、G115、SAVE12AD和SUPER VM12。

1.2.1 材料許用溫度

G115、SAVE12AD和SUPER VM12屬于新鋼種，鍋爐規程中還未列出其最高許用溫度，其最高許用溫度參考相應材料標準執行。出口集箱及管座候選材料的最高許用溫度見表3。

表3 出口集箱及管座候選材料的最高許用溫度

由表3可得：對于高過/高再出口集箱筒體，G115、SAVE12AD和SUPER VM12的最高許用溫度均能滿足使用要求，而P92的最高許用溫度已無法滿足要求；對于集箱管座，G115可以滿足使用需求，但是SAVE12AD、SUPER VM12和T92受規范中對最高許用溫度的限制，無法滿足使用要求。

1.2.2 材料許用應力

出口集箱及管座候選材料的最大許用應力見表4。G115的最大許用應力最高，SAVE12AD其次，SUPER VM12再次，但是以上3種材料的最大許用應力均比T/P92高。當SAVE12AD、SUPER VM12和T/P92的使用溫度超過650 ℃時，標準中無法查到相關許用應力數據。

表4 出口集箱及管座候選材料的最大許用應力

1.2.3 高溫抗蒸汽氧化性能

G115和SAVE12AD的高溫抗蒸汽氧化性能與T/P92會有差別，但是從成分來看，應無明顯差異。圖3[6]為650 ℃下，SUPER VM12與T/P92的高溫抗蒸汽氧化性能的對比。SUPER VM12的高溫抗蒸汽氧化性能則明顯更優，這是因為馬氏體耐熱鋼的高溫抗蒸汽氧化性能主要取決于Cr含量，T/P92、G115和SAVE12AD的Cr質量分數均為8.5%～9.5%，而SUPER VM12的Cr質量分數則高達10.5%～12.0%。

圖3 650 ℃下SUPER VM12與T/P92的高溫抗蒸汽氧化性的對比

從材料的最大許用應力看，G115最高，SAVE12AD其次，SUPER VM12再次，T/P92相對最低；而從高溫抗蒸汽氧化性能看，SUPER VM12最好，G115、SAVE12AD和T/P92應無明顯差異。

G115和SAVE12AD具有強度方面的優勢，而SUPER VM12同時具有強度和高溫抗蒸汽氧化性能的優勢，3種材料均可用于高過/高再出口集箱。但是，SAVE12AD和SUPER VM12受最高許用溫度和最大許用應力的限制，不能將其用于相應管座，可選用G115。

2 高溫抗蒸汽氧化的補充措施

管子內壁高溫蒸汽氧化可能使鍋爐運行出現各種問題。例如，鋼管內壁和蒸汽間形成隔熱的氧化層導致金屬壁溫升高，并且影響換熱效果；氧化層的形成導致鋼管壁厚減薄；氧化層的剝落導致氧化皮在彎曲部位處堆積，造成堵管進而導致超溫爆管，并且會給汽輪機帶來沖蝕等。

因此，在更高溫度下運行時，降低氧化皮的生成速率，是630 ℃鍋爐優良性能的保證。同時，對于使用溫度超過650 ℃的馬氏體耐熱鋼，有些材料(如G115)已明確需要采取高溫抗蒸汽氧化措施。

2.1 奧氏體耐熱鋼

對于S30432、S31035和SP2215等奧氏體耐熱鋼，業內普遍采用內壁噴丸來增強其高溫抗蒸汽氧化性能。

2.1.1 噴丸提高高溫抗蒸汽氧化性能的原理

奧氏體耐熱鋼管內表面經噴丸后，在管子內表面形成一定深度的、具有大量位錯和孿晶等晶體缺陷的形變層，為高溫下工作的奧氏體耐熱鋼管中的Cr提供了快捷擴散途徑[7-10]，具體見圖4。在高溫、高壓蒸汽條件下工作的鋼管，由于Cr的快速擴散，早期就可在內壁次表面形成富Cr的、致密的Cr2O3氧化膜，其作為保護膜防止或延緩了氧化，從而提高了鋼管的高溫抗蒸汽氧化性能。

圖4 噴丸鋼管高溫抗蒸汽氧化行為的示意圖

2.1.2 噴丸對高溫抗蒸汽氧化性能的改善

TP304H、S30432、噴丸TP304H和噴丸S30432在650 ℃蒸汽下的氧化動力學曲線見圖5[11]。噴丸TP304H和噴丸S30432的抗蒸汽氧化性能得到大幅度提升，遠好于未噴丸管。

圖5 650 ℃蒸汽下的氧化動力學曲線

將TP304H和噴丸TP304H鋼管同時安裝于鍋爐受熱面高溫段，在實際工況下服役7 474 h后，噴丸TP304H鋼管內壁氧化膜厚度僅為未噴丸鋼管的3%[11]，說明內壁噴丸鋼管在長期服役中高溫抗蒸汽氧化性能的優勢明顯。

S30432、S31035和SP2215等奧氏體耐熱鋼本身具有較好的高溫抗蒸汽氧化性能，外加內壁噴丸處理后，其高溫抗蒸汽氧化性能將進一步提高，氧化現象能得到有效控制。

2.2 馬氏體耐熱鋼

對于馬氏體耐熱鋼，主要考慮采用內壁激光熔覆耐蝕合金、內壁滲鋁等方式來改善其高溫抗蒸汽氧化性能，以上處理方式盡管在鍋爐行業還未得到實際應用，但在其他相關行業已發展較成熟并且得到了大量的應用。

針對G115的交貨態、內壁激光熔覆(熔覆層為310S)和內壁滲鋁后的3種鋼管，切取試樣在660 ℃蒸汽下試驗750 h后進行對比，試驗后3種鋼管的表面形貌見圖6。鋼管內壁經激光熔覆耐蝕合金和滲鋁處理后，其內壁高溫抗蒸汽氧化性能明顯提高，氧化現象得到控制。

圖6 3種鋼管在660 ℃蒸汽下試驗750 h后的表面形貌

3 結語

(1) 對于630 ℃鍋爐的高過/高再系統用材，受熱面高溫段可選用S31035和SP2215，出口集箱可選用G115、SAVE12AD和SUPER VM12，出口集箱管座可選用G115。

(2) 針對應用于受熱面的奧氏體耐熱鋼，可采用噴丸處理提高其高溫抗蒸汽氧化性能；針對應用于出口集箱尤其是出口集箱管座的馬氏體耐熱鋼，可考慮采用激光熔覆耐蝕合金、滲鋁等補充措施對鋼管內壁進行處理。