电站锅炉关键部件材料高温蒸汽氧化研究进展

苏建芳 张宗彬

（河南华电金源管道有限公司 河南郑州 450000）

电站锅炉关键部件材料高温蒸汽氧化研究进展

苏建芳 张宗彬

（河南华电金源管道有限公司 河南郑州 450000）

受到特殊服役环境影响，对于电站锅炉来说，应具备良好的关键材料特性。一方面，应符合力学性能需要。另一方面，应具备耐高温腐蚀性。只有这样，锅炉机组运行过程中，才能实现更加安全，才能更加可靠，凸显出经济性特点。本文针对锅炉合金材料进行相关分析，就高温蒸汽氧化方面予以一定阐述。

电站锅炉；关键部件；材料；高温蒸汽；氧化；研究进展

对于电站锅炉来说，需要科学控制关键部件材料。所谓关键部件，通常包括高压锅炉管件，相关主蒸汽管道，同时还包括集箱管道等。对于这些部件，高温蒸汽氧化下，从性能要求方面来说保持较为一致。现阶段，由于受到氧化层隔热方面影响，容易导致金属超温现象，同时可能引起氧化皮脱落。一旦堵塞弯头等部位，容易导致超温爆管现象。而对于已经出现脱落氧化物颗粒，容易造成汽轮机冲蚀。机组运行过程中，无论是安全性方面，还是经济性方面，普遍遭受严重影响。

1 低合金钢

在锅炉关键材料中，低合金钢属于重要组成部分。从低合金钢物理化学性质来说，Cr含量通常不会超过3％的要求。对于该类钢来说，无论是力学性能方面，还是耐腐蚀性能方面，普遍较为有限[1]。因而一般在应用过程中，蒸汽温度不能过高，需要不超过560℃。对于此种规格锅炉管道，才能相对较为适用。比方说，水冷壁管道，或者低级过热器管道。

研究表明，对于低合金钢结构来说，位于锅炉蒸汽侧部位，一旦产生氧化作用，其氧化层结构方面，一般属于多层结构。如果温度不超过570℃，关于生成氧化膜从组分方面来说，主要包括氧化铁以及氧化铬。而氧化物内层如果存在铬元素以及锶元素，能够充分起到减缓氧化的作用[2]。如果温度超过570℃，氧化膜还会包括氧化亚铁。而对于氧化亚铁来说，一般位于最内层，同时具备不致密特点。因而对于整个氧化膜来说，稳定性容易遭到破坏，造成氧化膜脱落现象。基于氧化动力学角度来看，同样有所体现。研究证明，对于低合金钢来说，蒸汽氧化阶段，从动力学曲线方面进行分析，发现与线性规律较为接近。然而，Cr含量一旦出现加大，其抗氧化性能方面，也会得到较为明显的提升。

针对低合金钢的性质，锅炉设计开展过程中，通常不被当成最高部件。基于此，低合金钢关注过程中，一般更多考虑成本或者加工方面。虽然从原理上讲，加大Cr元素含量，能够在一定程度上促进抗氧化性。然而，应充分考虑成本角度，基于这个角度，我们才能予以科学的合金选型。

2 9～12％铬钢

与低合金钢进行比较，9～12％铬钢物理化学性质方面，明显存在更加优良的热强性，同时耐腐蚀能力方面，非常良好。在过热器管道，蒸汽管道等方面，具有一定程度应用。然而，对于蒸汽侧来说，容易产生氧化层脱落现象，因而在一定程度上限制了其运用。

9～12％铬钢来说，介于一定使用温度内，一旦出现温度变化，合金抗氧化方面，性能优劣容易遭受影响[3]。研究表明，抗蒸汽氧化水平方面，随着温度不断发生变化，明显发生类似于钟形的规律特点。如果温度介于600～700℃范围之内，此时难以产生保护性氧化膜结构。如果温度大于700℃，但是没有达到800℃，此时就会出现保护性氧化膜结构，但是氧化速率普遍不高。一旦温度开始逐渐升高，由于合金内部铬元素不足，容易造成氧化膜保护性降低。

研究表明，通过改变使用温度，氧化膜结构性质同样容易改变。一般来说，氧化皮主要包括两层，氧化皮最外层来说，属于含铁氧化产物。而氧化层内层含有一定铬元素。在内外层界面部位，通常容易出现孔洞。研究表明，温度位于650℃条件下，氧化膜外层一般包括三氧化二铁以及四氧化三铁。而对于内层来说，通常主要成分包括氧化铬[4]。温度位于800℃条件下，对于氧化膜外层来说，主要成分包括氧化铬。对于内层来说，主要成分包括三氧化二铬。

概括来说，9～12％铬钢本身性质方面，高温蒸汽氧化下，抵抗能力存在一定不足。现阶段，诸多研究表明，借助于改善合金成分，能够充分实现抗氧化性增强，蒸汽环境条件下，如果温度位于650℃左右，抗氧化性能方面来说，能够实现显著提高。

3 奥氏体钢

关于奥氏体钢，普遍存在热强性高的特点，同时抗氧化性能方面，普遍较为优良。在使用温度方面，能够一直加大到650℃左右。现阶段，对于超超临界机组，属于首选材料。对于奥氏体钢来说，铬元素含量较高，因而合金从性质方面来说，抗蒸汽氧化水平得到较为有效提高。然而，合金内部结构中，耐蚀元素含量存在差异，晶粒度方面，同样有所不同，因而对于此类合金来说，抗蒸汽氧化水平具有一定不同。

TP304H从性质方面来说，高温蒸汽氧化过程中，容易出现双层氧化膜结构。对于外层来说，主要包括铁氧化物，易形成脱落。而对于其致密内层，普遍含有较为丰富的铬元素[5]。一旦服役时间过长，对于外层来说，容易产生大面积剥落现象。经过我国贾建民等教授研究，通过表面喷丸作用，能够充分实现错密度提高。与此同时，铬元素扩散通道得到有效加大。氧化膜层结构内部，铬元素浓度能够得到充分提高。然而，通过进行喷丸处理，影响程度究竟如何，喷丸强度是一大关键，氧化温度同样较为重要。在特殊热加工下，借助于细化晶粒措施，同样能够实现性能增强。

对于奥氏体钢来说，通过提高其铬元素含量，同样能够实现性能增强。经过研究，对于氧化层结构来说，运行时间一旦持续加大，从氧化进程方面来说，就会容易达到停滞状态。在初期产生的三氧化二铬膜作用下，钢氧化速率容易出现下降。

4 高温合金

关于高温合金，明显存在更强大高温强度特性。从合金成分方面来说，包括镍元素以及钴元素，因而使其具备一定耐蚀能力。对于此类合金而言，铬元素含量普遍较高，通常超过20％。由于铬元素含量足够高，因而位于合金表面，单层三氧化二铬膜实现有效生长。根据氧化膜成分，通常主要包括三氧化二铬。从合金元素组成方面来看，同样仍然夹杂氧化铬。然而，对于合金内部来说，一旦出现铬元素含量较低，氧化膜构成方面，同样容易引起改变。

对于铬元素来说，虽然属于抗氧化能力较为重要因素，然而对于高温合金来说，元素体系较为复杂，因而合金结构内部，其他元素同样容易造成影响，我们同样不容忽视。研究表明，针对合金内部，通过进行少量锶元素添加，可以充分实现二氧化锶生成。铬离子扩散作用，能够得到一定阻碍。而针对合金内部来说，通过添加适量铝元素，合金抗腐蚀方面，能够实现有效提高。

5 结束语

本文针对锅炉合金材料进行相关分析，就高温蒸汽氧化方面予以一定阐述。对于电站锅炉来说，关键材料方面，应该不仅符合力学性能规范，而且具备良好抗高温腐蚀特点。只有这样，机组运行过程中，才能真正实现更加安全，满足可靠性要求，同时具备经济学特点。

[1]迟成宇，于鸿垚，谢锡善，等.600℃超超临界电站锅炉过热器及再热器管道用先进奥氏体耐热钢的研究与发展[J].世界钢铁，2012（4）：50～65.

[2]王艳丽.简述电站锅炉产品制造过程中的质量控制[J].黑龙江冶金，2012（3）：25～26.

[3]李 阳，王岩.700℃A-USC电站锅炉材料专利分析与研究[J].材料导报，2013（z2）：148～152.

[4]温吉利，冯冰潇，符栋良，等.电站锅炉材料质量问题及解决方案[J].质量与标准化，2015（5）：48～51.

[5]成丁南，张知翔，边宝，等.5种电站锅炉过热器用材料高温腐蚀试验研究[J].动力工程学报，2012（11）：891～897.

[6]张斌.浅谈机械设计制造及其自动化的发展方向[J].科教导刊-电子版（下旬），2015（5）：141.

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