電廠過熱器用304不銹鋼管使用溫度上限的探討分析

   以某電廠在當(dāng)量溫度585℃運(yùn)行約14萬小時(shí)的過熱器受熱面304不銹鋼管作為研究對象，研究了其宏觀形貌、化學(xué)成分、顯微組織及室溫和高溫力學(xué)性能，對其使用溫度上限進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：該鋼管未出現(xiàn)明顯的脹粗和減薄現(xiàn)象，組織中未見蠕變孔洞，組織老化級別為３級，室溫力學(xué)性能比未服役的略有下降，仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；該鋼管在運(yùn)行約14萬小時(shí)后仍具有良好的抗高溫蠕變性能，其持久強(qiáng)度僅比標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)低12.1MPa；結(jié)合該電廠過熱器受熱面管的運(yùn)行情況認(rèn)為，304不銹鋼管受熱面可以在585℃下安全運(yùn)行，這與DL/T715-2015規(guī)定的575℃使用溫度上限有所沖突。

   304不銹鋼管是19世紀(jì)60年代末至70年代中期由北京鋼鐵研究總院開發(fā)的一種低碳低合金奧氏體不銹鋼管，其強(qiáng)度主要基于鎢鉬復(fù)合固溶強(qiáng)化、釩鈦復(fù)合彌散強(qiáng)化和微量硼的晶界強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)制而提高；此鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、工藝性能及抗氧化性能，在620℃時(shí)具有與某些鉻鎳奧氏體鋼相當(dāng)?shù)男阅?。在DL/T715-2000中規(guī)定，304不銹鋼管主要用于壁溫不高于600℃的過熱器管和再熱器管；但在DL/T715-2015中規(guī)定，其主要用于壁溫不高于575℃的過熱器管和再熱器管。可見，2015版規(guī)定的使用溫度上限較2000版的降低了25℃，這可能是考慮到該鋼用于受熱面管的蒸汽側(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化問題。由2015版新標(biāo)準(zhǔn)判定，一些火電機(jī)組鍋爐中正在使用的304不銹鋼管存在超溫可能；鍋爐受熱面管一旦在運(yùn)行時(shí)超溫，則可能會(huì)出現(xiàn)組織嚴(yán)重老化（球化），進(jìn)而出現(xiàn)蠕變損傷、力學(xué)性能下降等問題，甚至?xí)蜓趸ざ氯l(fā)生爆管，從而引起機(jī)組的非計(jì)劃停機(jī)，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有必要針對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的304不銹鋼管的使用溫度上限進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，以對該鋼管在火電廠過熱器管和再熱器管中的安全使用進(jìn)行指導(dǎo)。為此，作者研究了在585℃環(huán)境中運(yùn)行約14萬小時(shí)的高溫過熱器受熱面304不銹鋼管的宏觀尺寸、化學(xué)成分、顯微組織和力學(xué)性能，對其使用溫度上限進(jìn)行了探討。試樣制備與試驗(yàn)方法試驗(yàn)材料取自某電廠１號爐中運(yùn)行約14萬小時(shí)的高溫過熱器管，其材料為304不銹鋼，正火與回火態(tài)，過熱器管規(guī)格為51ｍｍ× 8ｍｍ，蒸汽溫度540℃，蒸汽壓力為18.2MPa。高溫過熱器位于水平煙道內(nèi)，共84排，每排有6根管子并繞成Ｕ形，管屏橫向節(jié)距為172ｍｍ，管子縱向節(jié)距為102ｍｍ。選取過熱器出口左向右數(shù)第43排、外向內(nèi)數(shù)第３根管與左向右數(shù)第５４排、外向內(nèi)數(shù)第１根管作為研究對象。分別在304不銹鋼管上沿橫截面各截?。矀€(gè)環(huán)形試樣，用游標(biāo)卡尺測其外徑及壁厚。采用便攜式光譜分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。采用數(shù)顯布氏硬度計(jì)測硬度，載荷為7350Ｎ，壓痕直徑為5ｍｍ，保載時(shí)間為15秒，在環(huán)形試樣上沿周向等距離測４個(gè)點(diǎn)取平均值。在取樣管上截取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光，用體積分?jǐn)?shù)４％硝酸酒精溶液腐蝕10秒后，采用倒置光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，測量其內(nèi)壁氧化皮厚度，用掃描電子顯微鏡的二次電子成像和背散射電子成像模式觀察微觀形貌，用附帶的能譜儀測定微區(qū)成分。

   試驗(yàn)結(jié)果表明，該電廠用304不銹鋼過熱器管在當(dāng)量溫度585℃下運(yùn)行約14萬小時(shí)后，未出現(xiàn)明顯的脹粗和減薄現(xiàn)象，其內(nèi)壁氧化皮較薄，同時(shí)其化學(xué)成分、顯微組織與室溫力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。已有研究表明，304不銹鋼在600℃服役93800小時(shí)后，其常溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能均保持良好的穩(wěn)定性，并且仍具有良好的抗蠕變性能，但其抗氧化性能略差，其失效的主要原因是蒸汽側(cè)管壁的氧化或者高溫?zé)煔鈱芡獗诘母g。該電廠在2010年發(fā)生過多起因氧化皮脫落堵塞彎頭而導(dǎo)致的304不銹鋼過熱器管爆管事故。造成氧化皮脫落的原因主要在于：一方面304不銹鋼管的抗氧化性能較差；另一方面相關(guān)人員對該鋼氧化皮的生成速率及剝落情況認(rèn)識(shí)不足，在鍋爐啟?；蜻\(yùn)行過程中未嚴(yán)格控制升降溫速率，從而導(dǎo)致蒸汽側(cè)管壁氧化皮的脫落。但近幾年來，該電廠在嚴(yán)格控制升降溫速率并加強(qiáng)熱負(fù)荷較高區(qū)域鋼管的監(jiān)督檢驗(yàn)后，未再發(fā)生因氧化皮脫落而造成的爆管事故。由此可見，只要有效防止鋼管內(nèi)壁氧化皮的脫落，即可保證受熱面管的安全穩(wěn)定運(yùn)行。由上述分析結(jié)果判斷，304不銹鋼管可在585℃下安全使用，作者甚至認(rèn)為其使用溫度可以達(dá)到600℃，因此作者對DL/T715-2015中提出的304不銹鋼作為受熱面管的使用溫度不超過575℃的觀點(diǎn)持保留態(tài)度。

   304不銹鋼管受熱面在當(dāng)量溫度585℃下運(yùn)行14萬小時(shí)后未出現(xiàn)明顯的脹粗和減薄現(xiàn)象，其化學(xué)成分和顯微組織均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，組織中未見蠕變孔洞，組織老化級別為３級。在當(dāng)量溫度585℃下運(yùn)行14萬小時(shí)后，304不銹鋼管的室溫力學(xué)性能比未服役鋼管的略差，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大分別下降了22.3％，11.9％，但仍均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；由585℃下的應(yīng)力－持久斷裂時(shí)間曲線外推得到304不銹鋼管在運(yùn)行約14萬小時(shí)后的持久強(qiáng)度僅比標(biāo)準(zhǔn)值低1MPa，此鋼管仍具有良好的抗高溫蠕變性能。在當(dāng)量溫度585℃下運(yùn)行14萬小時(shí)后，304不銹鋼管的綜合性能指標(biāo)下降幅度均較小；由該電廠近年來未發(fā)生過304不銹鋼管爆管事故可推測，304不銹鋼受熱面管至少可在585℃下安全使用。