过热器和再热器氧化皮开裂与剥落的预测与控制.docx

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 ）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，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： 文献标识码： 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。发生氧化皮剥落所自于 ， 和 的 热 膨 胀 系 数 引自文献。对于 钢等低 合金钢，其蒸汽侧氧化皮的主要成分为 ，有 时 还 有 一 层 薄的 ，从图可以看出，的热膨胀系 数比 的大，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 过热器和再热器蒸汽侧氧化皮剥落 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、 等 铁 素 体钢，也 有 系 列 粗 晶 不 锈 钢 管、等细 晶 不 锈 钢 管 甚 至 更 高 合 金 含 量 的 耐 热 钢 管。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，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。（约）和 少 量 （约 ），奥 氏体不锈钢的氧化皮为尖晶石晶体，其热膨胀系数与 相类似，如图所示，奥氏体不锈钢的热膨胀系数比 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 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。氧化皮剥落模型锅炉高 温受热面管蒸 汽 侧氧 化 皮 的 剥 落 往往发生在 部 件 温 度 出 现 较 大 降 幅 的 阶 段。 氧 化收稿日期：基金项目：广东省安全生产专项资金项目（）；广东省质量技术监督局科技项目（）作者简介：杨景标（），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 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： （） 槡式中： 氧化皮的断裂韧度，槡； 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 取值 为 ；对 于 埋 藏 缺 陷， 取 值为；对于半圆界面缺陷， 则取值； 氧化皮界面缺陷的长度。 可以通过氧化皮与金属界面的断裂能的 关系计算图金属材料和氧化物的热膨胀系数 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 金 属界面及氧化 皮 自身 的 相 对 断 裂 强 度。等将氧化皮的开裂与剥落方式归结 为种类 型。 第 类 为氧 化 皮与金属界面的 强度高于氧化物的断裂强度，第 类为金属与氧化皮界面的强度低于氧化物的断裂强度。第类型和第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（）和（）：（） 槡对于氧化 皮 的 剪 切 弹 性 模 量 ，各 种 文 献中给出的数据主要是室温下的值，与温度的关 系式如下： （）（） （ ） （ ） （） （ ）（） 式中： 时的剪切弹性模量 ， ；第类型 和 第 类 型氧 化 皮剥落的临界温 度降幅为、 分别为氧化皮的温度及其熔点，。表给出了式（）中几种典型氧化物的计算 参数值。 或（）上式中： 第 类临界应变；表公式（）所需参数值 第类临界应变； 氧化物 氧化皮与金属界面的断裂能，； 氧化皮的厚度，；氧化皮的弹性模量，；氧化皮的泊松比； 为氧化皮剥落区域的起始半径，；氧化皮受应力作用发 生 剥 落 的 临 界温度降幅，；金 属 与 氧 化 皮 的 热 膨 胀 系 数 之差，。 张应力作用下的模型在张应力作用下，有可能通过氧化皮内部或 表公式（）所需参数值氧化物（） （）（）表部分氧化物的泊松比氧化物泊松比锅炉技术第 卷表几种典型氧化物的断裂能、弹性模量和断裂韧度厚度越大，越容易发生剥落。氧化皮剥落结果分析氧化物（） （）槡一般来说，导致氧化皮的应力增加的因素主要包括：（）合金转变为氧化皮所导致的体积增大；（）氧化皮和金属之间的热膨胀系数差异引 起的热应力；（）负荷变化、振动或冲击造成的外应力。在实际运行中，高温部件 容 易 出 现 温 度 波 动 引起的热应 力。 对 于 奥 氏 体 不 锈 钢，不 含 和含的氧化皮在冷却时弹性应变的计 算分别如式（）和（）： 根据以下 关 系 式 （），可 以 计 算 出 。 表 给出了不同氧化物在室温下的泊松比。（）（）（ ） （） （）（）（）（ ）也可以通过公式（）计算 与温度的关系。公式（）所需参数的值如表所示。对于铁素 体 钢，不 含 和 含 的氧化皮在冷却时的弹性应变计算公式分别如式（）和（）：（）（）已有文献中，很少给出氧化皮与金属 界 面 断裂能与温度的关系。 实验 数 据 表 明，在 以下， 的值与室温时的值相差不大。 本文出于估算的角度，可以使用表的数据。（）（）（ ）（）（）（ ）式中：号表示氧化皮受压应力，号表示氧化皮受张应力； 运行温度，； 部件冷却后的温度，。图给出了文献中给出的不同金属材料锅炉 高温受热面管所剥落的氧化皮的厚度和计算得到 的应变。其中，应变根 据 式（） （）计 算 得 到， 氧化皮的厚度值则根据实际采集到的氧化皮测量得到。 等人的数据表明 ，奥氏体不锈钢所生成的氧化皮处于剥落区，铁素体钢的氧 化 皮 则处于氧化皮开裂和剥落区；奥氏体钢的氧 化 皮图氧化皮的弹性应变与厚度的关系为了便于分析，压应力作用下主要分析第 类氧化皮的开裂与剥落。 根据式（）和（），可以 得到氧化皮发生开裂与剥落时的临界应变及临界厚度的计算结果，结果如图所示，图即为著名 的 图，大量的氧化皮开裂和剥落的运行数据和实验数据证实了图 的合理性，。 图 给 出了压应力和张应力作用下氧化皮发生剥落的临界应变和氧化皮厚度。图中正弹性应变表示氧 化皮受到压应力，负弹性应变表示氧化皮受 张 应力。从图可以看出，随着氧化皮厚度的增大，氧 化皮发生剥落的临界应变不断下降，即氧化 皮 的厚度比 铁 素 体 钢 的 氧 化 皮 厚 度 值 小。等人对 管 进 行 了、 和下的蒸汽氧化实验，实验结果表明，氧化皮 的应变和厚度处于开裂和剥落区，当氧化温 度 为时，所得氧化皮处于开裂区，当氧化温度达 到 时，反应得到的氧 化皮处于剥落区。 黄 兴德等人所收集到 和 的氧化皮 的结果表明， 钢的 氧 化皮处于剥落区， 的氧化皮处于开裂区。贾建民等人所采集 的系列奥氏体不锈钢的氧化皮处于剥落区。第 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李树学等所 采 集 到 的 循 环 流 化 床 屏 式 过 热 器的 管的氧化皮处于多层氧化皮生成 区。从图的结果分析可知，奥氏体 钢 的 氧 化 皮 发生剥落的厚度比铁素体钢的氧化皮的厚 度 小， 而奥氏体钢的氧化皮所受的应变要比铁素体钢的 氧化皮的要大，主要原因是奥氏体钢的工作 温 度 一般高于铁素体钢，所受的热应力更大。中，奥氏体不锈钢的氧化皮比铁素体的更容 易 发生开裂与剥落。边彩霞等人采用有限元方法对 过热器管基体及氧化皮内的温度和应力情况进行 模拟分析，结果表明，蒸汽侧温度发 生 扰 动 时，氧 化皮内温度和应力的变化剧烈，更易于造成 氧 化 皮的剥落。严格控制运行过程中过热器和再热器 管中的蒸汽温度波动，是防止氧化皮剥落的 有 效 预防方法。结论由于金属与氧化皮的热膨胀系数的差异，在冷却过程中，过热器和再热器中的铁素体高 温 炉 管的氧化皮受张应力，而奥氏体不锈钢管的 氧 化 皮受压应力。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的 增大而减小。检修和实验所得氧化皮的厚度及其 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降随氧化皮厚度的增大而 减小，控制过热器和再热器管中的蒸汽温度 波 动 在临界温降范围内，是预防氧化皮开裂和剥 落 的 有效方法。图剥落氧化皮的应变与厚度图 的结果还表明，对于铁素体钢所生成的氧化皮，主要处于开裂和剥落区。 对 于 第 类 型 氧化皮，初始阶段在氧化皮内形成剪切裂纹；在继 续冷却过程中，剪切裂纹导致受拉裂纹沿着 界 面 开裂最后发生剥落，继而开始发生剥落过程。机组启停过程中管子的 温 度 变 化 幅 度 最 大， 需要严格将蒸汽温度变化控制在允许范围 内，避 免温度变化过快导致氧化皮的剥落。为了定量地 控制温度降幅，需要得到氧化皮发生剥落时 的 临 界温度降幅。根据式（），可以计算出氧化皮发生 剥落时的临界温度降幅。参考文献：贾建民，陈吉钢，李志刚，等 系列粗晶不锈钢锅炉 管内壁氧化皮大面积剥落防治对策中国电力，（）：， ， ，沈敏光 探讨防止和减缓氧化皮生成和剥落的方法 电 力建设，（）：边彩霞，周克毅，胥建群，徐啸虎 锅炉过热器蒸汽侧氧化膜 瞬态应力的有 限 元 分 析 动 力 工 程， ，（）： （） ， ，（）：， ， ， ， ， ， ， ，图临界温降与氧化皮厚度的关系图给出了铁素体钢和奥氏体不锈钢的氧化皮的临界温度降幅随氧化皮厚度的变化，随 着 氧