过热器和再热器氧化皮开裂与剥落的预测与控制

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1、过热器和再热器氧化皮开裂与剥落的预测与控制杨景标，郑炯，邱燕飞，李越胜，李树学（广东省特种设备检测院，广东广州５１０６５５）摘要：建立了应用于过热器和再热器的铁素体钢和奥氏体不锈钢管蒸汽侧氧化皮发生开裂和剥落时的临界应变随氧化皮厚度变化的模型，根据临界温度降幅与临界应变的关系，得到临界温度降幅与氧化皮厚度的关系。铁素体和奥氏体不锈钢管的氧化皮发生开裂和剥落时的临界应变均随氧化皮厚度增大而减小。公开发表的氧化皮厚度及其应力与所建立模型的临界值相吻合。氧化皮发生开裂和剥落时的临界温度降幅随氧化皮厚度的增大而减小，

2、严格控制过热器和再热器管中的蒸汽温度波动是预防氧化皮剥落的有效方法。关键词：过热器；再热器；氧化皮；开裂；剥落中图分类号：ＴＫ２２４文献标识码：Ａ皮与锅炉管金属材料的热膨胀系数的差异使得不同金属材料所生成的氧化皮在冷却过程中所受的应力不同。图１给出了不同温度下锅炉管金属材料和氧化皮的热膨胀系数，金属材料的热膨胀系数引前言０随着电站锅炉机组容量的增大和蒸汽参数的不断提高，大量的耐热钢用于锅炉的高温受热面以适应强度和抗蒸汽氧化的需要，主要由耐热钢组成的过热器和再热器的蒸汽侧氧化皮剥落问题日益突出。锅炉高温受热面管

3、蒸汽侧氧化皮剥落不仅会堵塞锅炉管引起超温甚至爆管事故的发生，还会对汽轮机汽室叶片、叶轮、喷嘴、蒸汽管道阀门等部件造成冲蚀磨损，对锅炉的安全运行造成严重的威胁［１－２］。发生氧化皮剥落所自于ＡＳＭＥ［５］，ＦｅＯＦｅＯ４和３的热膨胀系数引３２自文献［２］。对于Ｔ２２钢等低Ｃｒ合金钢，其蒸汽侧氧化皮的主要成分为ＦｅＯ４，有时还有一层薄３的ＦｅＯ［２］，从图１可以看出，的热膨胀系Ｆｅ３Ｏ４２３数比Ｔ２２的大，Ｔ２２所生成的氧化皮在冷却过程中将受到张应力；贾建民等对超临界机组１２Ｘ１８Ｈ１２Ｔ过热器和再热器蒸汽侧氧化

4、皮剥落物的研究结果表明，氧化皮剥落物的组成主要为涉及的管材既有Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ９１等铁素体钢［３－４］，也有１８－８系列粗晶不锈钢管、ＴＰ３４７Ｈ等细晶不锈钢管甚至更高合金含量的耐热钢管［１－２］。对于氧化皮剥落的防治，已有文献给出了大量的定性分析和防治措施及经验［１－４］，但由于没有定量的控制参数可循，在实际运行中难以操作。本文通过对不同类型金属管材的氧化皮剥落建立模型，研究氧化皮剥落的临界应变、氧化皮厚度及临界温度降幅的关系，从而实现在实际运行中对氧化皮剥落的有效预测及控制。Ｆｅ３Ｏ４（约８０％）和少量

5、Ｆｅ２Ｏ３（约２０％）［１］，奥氏体不锈钢的氧化皮为尖晶石晶体，其热膨胀系数与Ｆｅ３Ｏ４相类似［２］，如图１所示，奥氏体不锈钢的热膨胀系数比Ｆｅ３Ｏ４的大，即奥氏体不锈钢所生成的氧化皮在冷却过程中受到压应力。氧化皮受张应力和压应力时的剥落机理各异，对应于２种应力的氧化皮剥落模型也就存在差异。一般来说，铁素体钢蒸汽侧所生成的氧化皮在冷却过程中受到张应力，奥氏体不锈钢的氧化皮则受到压应力。本文重点针对铁素体钢和奥氏体不锈钢管蒸汽侧的氧化皮，分析其开裂与剥落特性。氧化皮剥落模型１锅炉高温受热面管蒸汽侧氧化皮的剥落往

6、往发生在部件温度出现较大降幅的阶段。氧化收稿日期：２０１０－０１－０９基金项目：广东省安全生产专项资金项目（２００８－７９－Ｃ）；广东省质量技术监督局科技项目（２００８ＳＪ２２３）作者简介：杨景标（１９７８－），男，工学博士，高级工程师，主要研究方向为洁净煤联合循环发电及多联产、电站锅炉高温部件风险评估及寿命预测等。第５期杨景标，等：过热器和再热器氧化皮开裂与剥落的预测与控制４９表面已存在的缺陷生长来形成贯穿裂纹。这是由于氧化皮内部或表面的缺陷周围存在较大应力集中，容易导致裂纹萌生并扩展，从而在氧化皮内形成贯

7、穿裂纹，这对随后的剥落过程起着重要的作用。在张应力作用下，应用断裂力学理论，氧化皮剥落的临界应变的表达式为：ＫＩＣ（４）εｃ＝ｆＥｏｘ槡πｃ式中：ＫＩＣ———氧化皮的断裂韧度，ＭＰａ槡ｍ；ｆ———根据氧化皮与金属界面的形状特征取值，对于无限大的界面缺陷ｆ取值为１．１２；对于埋藏缺陷，ｆ取值为１．０；对于半圆界面缺陷，ｆ则取值０．６４；ｃ———氧化皮界面缺陷的长度。ＫＩＣ可以通过氧化皮与金属界面的断裂能的关系计算图１金属材料和氧化物的热膨胀系数１．１压应力作用下的模型在压应力作用下氧化皮的剥落机理取决于氧化物－

8、金属界面及氧化皮自身的相对断裂强度。Ｓｃｈüｔｚｅ等将氧化皮的开裂与剥落方式归结为２种类型［６］。第Ⅰ类为氧化皮与金属界面的强度高于氧化物的断裂强度，第Ⅱ类为金属与氧化皮界面的强度低于氧化物的断裂强度。第Ⅰ类型和第Ⅱ类型的氧化皮发生剥落时的临界应变与氧化皮厚度的关系式分别为式（１）和（２）：（５）ＫＩＣ＝槡２γ０Ｅｏｘ对于氧化皮的剪切弹性模量Ｇｏｘ，各种文献中给出的数据主要是室温下的值，Ｇｏｘ与温度